Современные методы аналитического контроля материалов. Практикум

№ 4390 М И Н И С Т Е РС Т В О Н АУ К И И В ЫС Ш Е ГО 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

И.В. Муравьева

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ

Практикум

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2021

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 «Стандартизация и метрология».

УДК 669:620.22

И.В. Муравьева, 2021

НИТУ «МИСиС», 2021

Оглавление

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Приложение А – Значения некоторых фундаментальных констант. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Приложение Б – Аналитические линии, используемые при качественном спектральном анализе. . . . . . . . . 37

3

Предисловие

Обеспечение полного и комплексного использования сырья, безопасности производства, охраны окружающей среды, возможности повышения качества металлопродукции и эффективности работы металлургических предприятий в значительной степени определяется применяемыми методами аналитического контроля.

Поскольку свойства веществ и материалов обусловлены в первую очередь их химическим составом и структурой, применение спектроскопических методов, а именно атомноэмиссионного, атомно-абсорбционного, рентгеновского (элементный 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 аналитического контроля материалов». В практикуме разобраны примеры решения практических задач аналитического контроля материалов, т.е. определение содержаний и концентраций с использованием различных физических параметров. Приведены теоретические и практические вопросы, задачи и задания по атомно-эмиссионному, атомно-абсорбционному, рентгеновскому (элементный анализ) и рентгеновскому фазовому (фазовый или структурный анализ) методам.

Основная цель практикума – помочь студентам закрепить основные теоретические положения учебного курса и использовать его для осмысленного восприятия важнейших методов количественного анализа. Предлагаемый материал 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.

4

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 соотношением. Размерность волновых чисел – см–1. С частотой вол-

новое число связано соотношением ν =сν .

Энергия излучения Е непосредственно связана с часто-

той:

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.

5

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 энергетический диапазон электромагнитного излучения. Спектральную область, включающую видимое, ультрафиолетовое

и инфракрасное излучения, называют оптическим диапазоном (λ = 10–4–10–8 м), область длин волн 10–8–10–11 м явля-

ется рентгеновским диапазоном излучения, излучение в пределах 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.

Рисунок 1.1 – Схема прибора для проведения СМА

В зависимости от того, какие частицы являются источником аналитического сигнала при поглощении или выделении энергии, различают методы молекулярной или атомной спектроскопии, абсорбционного или эмиссионного анализа.

6

Спектроскопические методы являются основными методами промышленного анализа металлургической продукции. С их помощью в металлургии выполняется более 70% всех анализов, что обусловлено в первую очередь точностью, экспрессностью и многоэлементностью этих методов (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Характеристики спектроскопических методов анализа

Как правило, СМА являются методами прямого аналитического контроля, они не требуют какой-либо специальной 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

7

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

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:

Ответ: энергия и волновое число спектральной резонансной линии составляют 1,988 эВ/моль и 16 002,5 см–1 соответственно.

Контрольные вопросы, задачи и задания

1 Что такое спектральная линия?

2 Какие спектральные линии называются резонансными, гомологическими, последними?

3 Какие виды спектров вы знаете?

8

4 Какие частицы имеют в спектрах широкие полосы поглощения:

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 спектральной линии?

7 Как зависит интенсивность спектральной линии от концентрации элемента в пробе?

8 Что такое самопоглощение?

9 Определите длину волны спектральной линии элемента, если энергия электрона атома этого элемента на возбужденном уровне составляет 4,6 эВ, а энергия стабильного уровня – 1,9 эВ.

10 Определите длину волны резонансной линии в атомном спектре меди, если энергия возбуждения резонансного уровня равна 3,9 эВ.

11 Определите энергию возбуждения спектральной линии железа, длина волны которой равна 3,27 ∙ 10–7 м.

12 Определите длину волны резонансной линии поглощения 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 атоме 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 число (ν, см–1) спектральной резонансной линии, если длина ее

9

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 спектрального анализа? Варианты ответа:

а) введением буферной смеси; б) использованием стандартных образцов;

в) многократным повторением анализа.

20 Чем обусловлено требование адекватности стандартных и исследуемых образцов? Варианты ответа:

а) упрощением методики определения элементов; б) сокращением времени анализа; в) учетом влияния матрицы образца.

21 Агрегатное состояние пробы, анализируемой спектральным 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 объектов спектроскопическими методами?

24 Требуется определить пробу ювелирного сплава. Какие методы анализа могут быть использованы для этого?

25 Имеется образец стали неизвестной марки. Требуется выдать сертификат химического состава. Предложите набор методов анализа, с помощью которого это можно сделать.

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

10