МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

___________________________________________________

А.П. Родзевич, Е.Г. Газенаур

МЕТОДЫ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ ВЕЩЕСТВ

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве

учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Металлургия»

Издательство

Томского политехнического университета 2013

УДК 669.01:543 ББК 34.3:24.4 Р60

Родзевич А.П.

Р60 Методы анализа и контроля веществ: учебное пособие / А.П. Родзевич, Е.Г Газенаур; Юргинский технологический инсти- тут. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 312 с.

ISBN 0-00000-000-0

В пособии рассмотрены основы наиболее распространенных методов контроля и анализа веществ, дополненные контрольными вопросами и тесто- выми заданиями. Представлены области, в которых возможно использование тех или иных методов, – экспресс-анализа, экологического мониторинга, научные исследования.

Предназначено для студентов вузов, объектами профессиональной дея- тельности которых являются функциональные материалы, технологические процессы и устройства для производства и обработки черных и цветных ме- таллов; исследования свойств и структуры веществ.

УДК 669.01:543 ББК 34.3:24.4

Рецензенты Доктор физико-математических наук, профессор,

зам. директора по научной работе института угля и химического материаловедения СО РАН

Б.П. Адуев Доктор технических наук, доцент,

зав. кафедрой техносферной безопасности НФИ КемГУ Р.А. Гизатулин

ISBN 0-00000-000-0 © ФГБОУ ВПО НИ ТПУ Юргинский

технологический институт (филиал), 2013 © Родзевич А.П., Газенаур Е.Г., 2013

© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2013

3

ВВЕДЕНИЕ

Современные физико-химические методы исследования веществ отличаются значительным многообразием и сферами приложения. Уро- вень исследований и ценность получаемых результатов непосредствен- но связаны с правильностью выбора и применения современных мето- дов анализа веществ.

Все существующие методы контроля и анализа веществ можно разделить на этапы: пробоотбор; разложения проб; разделение компо- нентов; обнаружения (идентификации); определения. Из всех перечис- ленных этапов наибольшее значение имеют методы определения, кото- рые основаны на зависимости между составом вещества и его свойства- ми. Обычно измеряют свойство, например, интенсивность окраски, ра- диоактивность или электрическую проводимость и по полученному сигналу судят о составе вещества (содержании интересующего нас ком- понента).

Методы определения можно классифицировать по характеру изме- ряемого свойства или по способу регистрации соответствующего сигна- ла. Методы определения делятся на химические и физические методы. Химические методы базируются на химических (в том числе электро- химических) реакциях. Физические – основаны на физических явлениях и процессах.

Можно классифицировать методы определения по видам анализа, для которых они предназначены: например, методы изотопного, эле- ментного, молекулярного анализа и т. д. Однако и эта классификация более чем условна. Можно выделить качественный и количественный анализ. Первый решает вопрос о том, какие компоненты включает ана- лизируемый объект. Второй дает сведения о количественном содержа- нии всех или отдельных компонентов.

Основные требования, предъявляемые к методам контроля и анали- за веществ – правильность и хорошая воспроизводимость результатов, низкий предел обнаружения нужных компонентов, избирательность, экспрессность, простота анализа, возможность его автоматизации. В от- дельных случаях важна локальность определений, анализ на расстоянии (без непосредственного контакта с анализируемым объектом), анализ без разрушения образца. Для массовых анализов большое значение при- обретает фактор экономичности определений. Все эти требования отра- жают основные тенденции развития современных методов анализа ма- териалов, в том числе, и ультрадисперсных.

4

Значение и области использования химического анализа в про- мышленности велики и разнообразны: контроль технологических про- цессов, контроль сырья, контроль готовой продукции. Первый, как пра- вило, должен быть оперативным, часто непрерывным, желательно авто- матизированным. Второй обычно дискретный, выборочный, во многих случаях требует точности и определения нескольких компонентов и ча- ще выполняется в лаборатории. Третий контроль и окончательный так- же должен быть достаточно быстрым, а результаты, как правило, отоб- ражаются в сопроводительной документации.

Все химические анализы, выполняемые в производственной и научной лабораториях можно разделить на констатирующие и опера- тивные (экспрессные) анализы. Результаты констатирующих анализов после их суммирования позволяют выявить «хронические» дефекты технологии. Их можно, как и анализируемые образцы хранить, обраба- тывать, перепроверять. Результаты экспресс-анализов должны быть по- лучены быстро, чтобы их можно было использовать для изменения тех- нологического процесса и повторить этот анализ обычно невозможно.

Серьезной задачей производственного контроля, особенно экспрес- сного, является его автоматизация. Контроль в наибольшем объеме тре- буется при запуске нового производства и его освоений. По мере того, как технологические процессы осваиваются и стабилизируются, число точек пробоотбора и частота анализа сокращаются. В сущности, кон- троль должен сохраняться в тех точках, где по тем или иным причинам есть колебания в составе вещества.

Роль контроля металлургического производства невозможно пере- оценить, т. к. металлы и сплавы, материалы черной и цветной металлур- гии, играют важную роль в машиностроении, электротехнике, электро- нике и многих др. отраслях. Качество этих материалов в значительной степени зависит от характера и содержания примесей, а свойства спла- вов определяются специально вводимыми легирующими добавками. За- дачи анализа металлов и сплавов многообразны: определение примесей и легирующих добавок, определение газообразующих примесей, фазо- вый и локальный анализ. Иногда необходимо определить не только об- щее содержание компонентов в пробе, но и их распределение по площа- ди или глубине. При анализе металлов и сплавов большое практическое значение имеет атомно-эмиссионный метод, позволяющий проводить многоэлементный анализ (позволяет определить до 20-ти элементов од- новременно). Нашли свое применение атомно-абсорбционный, фото- метрический, электрохимический методы анализа. Для определения так называемых газообразующих примесей применяют плавление в вакуу- ме, активационный анализ, масс-спектрометрию.

5

Одним из важных методов контроля композиционных материалов является рентгеноспектральный микроанализ. Наряду с другими физи- ческими методами его используют при анализе различных включений.

Для исследования наноматериалов в принципе могут применяться практически те же методы, что и для исследования обычных кристалли- ческих материалов. Однако у наноматериалов существует особая спе- цифика, которая заключается в предъявлении повышенных требований к разрешающей способности методов, а именно возможность исследо- вать участки поверхности образцов с размерами менее 100–200 нм. Наибольшее применение при исследованиях наноматериалов нашли ме- тоды просвечивающей и растровой электронной микроскопии.

В настоящем пособии представлены основы современных методов исследования функциональных, в том числе наноразмерных материа- лов, метрологические основы современных методов исследования и фи- зико-химического анализа твердых тел, возможности его автоматизации и использования ЭВМ при обработке полученных результатов, основы методов обнаружения и определения, современные методы электронной микроскопии, основы спектроскопических методов исследования твер- дого тела, основы анализа фазового и химического состава и расчеты параметров структуры после различных воздействий, теоретические и прикладные вопросы по кристаллографическому анализу при использо- вании растровой и просвечивающей электронной микроскопии; преде- лы обнаружения элементов, количественный анализ, основы рентгено- структурного анализа, электронографии и нейтронографии, основы спектроскопии характеристических потерь энергии электронов; основы масс-спектрального анализа, элементного и молекулярного локального анализа с использованием лазерного излучения, основы ядерно- физических методов анализа поверхности, ядерного магнитного и пара- магнитного резонанса, гамма-резонансной спектроскопии, основы Оже- электронной и рентгеновской абсорбционной спектроскопии, элемент- ного и молекулярного локального анализа с использованием лазерного излучения, основы колебательной спектроскопии в приложении к хими- ческим и материаловедческим задачам.

Пособие «Методы контроля и анализа веществ» содержит, помимо теоретической части, контрольные вопросы и тестовые задания, направ- ленные на осмысление теоретического материала, и может быть реко- мендовано в качестве базового для студентов высших заведений, изу- чающих дисциплины, связанные с методами исследования и контроля материалов и специализирующихся в области контроля и анализа ве- ществ.

6

Глава 1. Отбор и подготовка пробы к анализу

Химический анализ чаще всего начинают с отбора и подготовки пробы к анализу. Если они проведены неправильно, то тщательно изме- ренный аналитический сигнал не дает правильной информации о со- держании определяемого компонента. Погрешность при пробоподго- товке и отборе пробы часто делает бессмысленным использование вы- сокоточных методов.

«Пробы» зависят от способа измерения аналитического сигнала. Приемы и порядок отбора пробы предписывают Государственные стан- дарты (ГОСТ).

1.1. Отбор пробы

Для проведения анализа берут среднюю пробу. Это небольшая часть анализируемого объекта, средний состав и свойства которой должны быть идентичны во всех отношениях среднему составу и свой- ствам исследуемого объекта.

Различают генеральную, лабораторную и анализируемую пробу. Генеральная проба отбирается непосредственно из объекта. Она

большая – 1–50 кг, для некоторых объектов (пример: руда) 0,5–5 т. Из генеральной пробы путем сокращения отбирают лабораторную пробу (от 25г до 1 кг).

Одну часть используют для предварительных исследований, дру- гую – сохраняют для возможных арбитражных анализов. Третью – ис- пользуют непосредственно для анализа (анализируемая проба).

Содержание определяемого компонента в анализируемой пробе должно отражать среднее содержание этого компонента в исследуемом объекте.

Так проба 1–10 г оценивает среднее содержание компонента в ге- неральной пробе массой несколько тонн и запас компонента в место- рождении.

При отборе пробы надо учитывать: 1) агрегатное состояние объекта; 2) неоднородность материала и размер частиц, с которых начинается

неоднородность; 3) требуемую точность в зависимости от задачи анализа и природы

объекта; 4) возможность изменения объекта во времени.

7

1.2. Отбор пробы газов

Степень однородности велика: неоднородность на молекулярном уровне. Генеральная проба небольшая.

Пробу отбирают, измеряя объем при помощи вакуумной мерной колбы или бюретки с соответствующей запорной жидкостью, конденси- руют газ в ловушках разного типа при низках температурах.

В замкнутой емкости (пример: цех, комната и т. д.) пробу отбирают в разных точках в зависимости от задачи, смешивают или анализируют отдельно.

В потоке газа (рис. 1.1) используют метод продольных струй и ме- тод поперечных сечений.

Рис. 1.1. Отбор пробы газа в потоке: а – метод продольных струй; б – ме-

тод поперечных сечений (стрелками показаны места отбора проб)

В первом случае, когда состав в потоке не меняется, берут в струях. Во втором – на определенных расстояниях (спец. отверстия в трубах).

Состав часто меняется во времени. Поэтому пробу усредняют или анализируют отдельно в зависимости от поставленной задачи.

1.3. Отбор проб жидкостей

Гомогенные жидкости отличаются однородностью, способ отбора прост.

Тщательно перемешивают и берут необходимый объем (таб. 1.1). Если нельзя перемешать, берут в разных точках. Используют специаль- ные устройства – батометры (рис. 1.3) (сосуд объемом 1–3 л с закрыва- ющимися крышками сверху и снизу).

Гетерогенные жидкости отбирают по объему и по массе. Пробу го- могенизируют или расслаивают.

Гомогенизация – изменение температуры, перемешивание или виб- рация.

8

Расслаивание – отбирают пробу (рис. 1.2) из каждой фазы пробоот- борником с большим числом забирающих камер.

Рис. 1.2. Отбор пробы: а – жид- кости в потоке; б – гетероген-

ной жидкости пробоотборником с изолированными ячейками

Рис. 1.3. Батометр

Таблица 1.1 Отбор различных фракции в продуктах переработки

Вещество: H2SO4 HCl HNO3 Мотор бензин Ген. проба: 1,0 кг 1,0 кг 0,1 кг 2 л