Методы молекулярной спектрометрии в анализе объектов окружающей среды

Министерство образования Украины

Донецкий государственный технический

университет

Кафедра физической и органической химии

Курсовая работа

по курсу “Химия и физико – химические

методы анализа”

на тему “Методы молекулярной спектрометрии

в анализе объектов окружающей среды”

Выполнил: студент гр. ХТ-96

Кузнецов М.В.

Проверил: доц. Уварова К.А.
асс. Поскребышева Т.В. г. Донецк 1998 год

КРАТКИЙ ОБЗОР РЕФЕРАТА:

Молекулярная спектрометрия в анализе объектов окружающей среды, сущность метода, краткая характеристика методов молекулярной спектрометри, аналитическая форма, способы ее получения,способы определения концентра- ции, метод добавок, метод сравнения, градуировочный график, дифференциальная спектрометрия, конкретные примеры.

Листов:

Источников:

Цель работы:

изучить химические и инструментальные методы спектрометрического анализа объектов окружающей среды и рассмотреть способы практического применения.

ПЛАН:

1. Введение

2. Суть метода анализа

3. Закон Бугера-Ламберта-Бера

4. Спектры поглощения

5. Методы анализа

6. Практические примеры использования

метода молекулярной спектрометрии

7. Заключение

Please do not shoot the pianist! He is doing his best..

(с) приписывается О.Уальду

Введение

Аналитическая химия является фундаментальной химической наукой, занимающей видное место в ряду других химических дисциплин. Вместе с тем аналитическая химия теснейшим образом связана с повседневной практикой, поскольку без данных анализа о содержании в сырье или ином объекте основных компонентов и примесей невозможно грамотное проведение технологического процесса в любой отрасли промышленности. Данные химического анализа требуются при решении экономических и других важных вопросов.

Предметом аналитической химии является разработка методов анализа и практическое выполнение анализов, а также широкое исследование теоретических основ аналитических методов.

Одним из важных вопросов, которые успешно решает аналитическая химия, является анализ объектов окружающей среды. Заметно возросла роль аналитической химии в данном вопросе в связи с тем, что больше внимания стало уделяться состоянию и контрою за загрязнением окружающей среды, контролю за технологическими выбросами, сточными водами. На Украине, как и во всем мире, работает специальная служба наблюдения и контроля за уровнем загрязнения окружающей среды. Если немного призадуматься, то сразу возникнет вопрос – а как и каким методом анализа пользуются? Из ведь великое множество. Так уж получилсь, что мне выпала великая честь (а если чеснее сказать, попалась такая тема) рассказать Вам про анализ объектов окружающей среды методом молекулярной спектромертии. О ней и пойдет речь в этом реферате.

Как Вы уже знаете, все методы анализа основаны на зависимости физико-химического свойства вещества, называемым аналитическим сигналом или просто сигналом, от природы вещества и его содержания в анализируемой пробе. В классических методах химического анализа в качестве такого свойства используется или масса осадка (гравиметрический метод), или объем реактива, израсходованный на реакцию (титриметрический анализ). Однако, химические методы анализа не в состоянии были удовлетворить многообразные запросы практики, особенно возросшие как результат научно-технического прогресса и развится других отраслей науки и техники. Наряду с черной и цветной металлургией, машиностроением, хим. промышленностью, другими традиционными отраслями большое значение для промышленного потенциала страны стало освоение энергии атомной энергии, энергии синтеза, работа со сверхпроводниками, прогресс полупроводниковой промышленности, бурный рост, почти что взрыв развития микроэлектроники, применение чистых и сверхчистых веществ в технике. Развитие этих отраслей поставило задачу перед аналитической химией снизить предел обнаружения до 10^-5 и 10 ^–10 %

Естественно, что наука на месте не стоит. Самое главное – правилно поставить задачу, а уж только потом рассматривать различные методы для ее решения и реализации на практике. Так вот, с пределом обнаружения до 10^-5 и 10 ^–10 % непосредственно классическим химическим анализом работать трудно и сложно, а вот такие физико-химические методы, как абсорбционная спектрометрия, атомно-абсорбционная спектрометрия, анализ с помошью плазменно-ионные детекторов, молекулярная спектрометрия успешно справляются с поставленными задачами.

Важной особенностью данных методов анализа является:

экспрессность – выпокий темп получения результатов;

избирательность - точное и сверхточное обнаружение примесей;

недеструктивность – выполнение анализа вещества без разрушения образца;

дистанционность – возможность проведения анализа на значительном

расстоянии от исследуемого вещества;

локальность – определение элемента в данной точке образца

Как часто мы промахиваемся

еще при выборе цели

(с) генерал-лейтенант В.Власов

Суть метода анализа

Итак, в оной главе пойдет речь о сущности анализа методом молекулярной спектрометрии.

Данный метод основан на поглощнии световых волн молекулами вещества.

Свет - это электромагнитные волны с длиной волны 4*10^-7 - 8*10^-7 м. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Для того чтобы атом начал излучать энергию, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.

Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения. Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом и основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру.

Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества. Это очень чувствительный метод.

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных ли­ний зависит не только от массы вещества, но и от способа воз­буждения свечения. Так, при низ­ких температурах многие спектраль­ные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандарт­ных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.

Чтоб худого про царя не болтал народ зазря,

Действуй строго по закону, то бишь действуй... втихаря.

(с) Л.Филатов “Сказ про Федота-стрельца”

Какие великие люди и какие простые формулы!

(с) Миненко А.С, ДонГТУ, кафедра ПМиИ

Закон Бугера – Ламберта - Бера

Атом, ион или молекула, поглощая квант света, переходит в более высокое энергетическое состояние. Обычно это бывает переход с основного, невозбужденного уровня на один из более высоких, чаще всего на первый возбуужденный уровень. Вследствие поглощения излучения при прохождении его через слой вещества интенсивность излучения уменьшатеся и тем больше, чем выше концентрация светопоглощающего вещества.

Закон Бугера – Ламберта – Бера связывает ууменьшение интенсивности цвета, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя. Чтобы учеть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивности цвета, прошедшего через исследуемый раствор и растворитель. При одинаковой толщине слоя в кюветах, из одинакового материала, содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеяние света будут примерно одинаковы у обоих пучков и уменьшение интенсивности света будет зависеть от концентрации вещества.

Уменьшение интенсивности света, прошедшего черз раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т, где I и I₀ – соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель.

Т=I/I₀

Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотностью А:

-lgT= - lgl/l₀ = lg l₀/l = A

Уменьшение интенсивности света при прохождении его через раствор подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера:

I=I₀ * 10 ^-lc или I/I₀=10^-lc

Где  - молярный коэффициент поглощения,

l – толщина светопоглощающего слоя,

с – концентрация раствора

Физический смысл молярного коэффициента поглощения сразу становится ясным, если мы принимаем с = 1 моль/л и l = 1 см. Тогда А= .

Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщиние слоя 1 см.

Оптическая плотность раствора, содержащего несколько окрашеных веществ, обладает свойством аддитивности, которое называют свойством аддитивности светопоглощения. В соответствии с этим законом поглощение света каким-либо веществом не зависит от присутствия в растворе других веществ. При наличи окрашеных веществ в растворе каждое из них будет давать свой аддтивный вклад в экспериментально определяемую оптическую плотность. Т.е. мы получаем:

A=l(₁c₁ + ₂c₂ + _kc_k )

В соответствии с уравнением –lgT = A = lc

получается, что зависимость оптической

плотности от концентации графически выражается прямой линией, выходящей из начала координат. Опыт же показывает, что линейная зависимость наблюдается не всегда. При практическом применении закона необходимо учитывать следущие ограничения:

1. Закон справедлив для монохроматического света. Чтобы отметить это ограничение в уравнение вводят индексы и записывают в виде: A_ = _lc. Индекс  указывает, что величиныы А и  относятся к монохроматическому свету с длиной волны 

2. Коэффициент  зависит от показателся преломления среды. Если концентрация раствора сравнительно невелика, его показатель преломления остается таким же, каким он был у чистого растворителя, и отклонений от закона по этой причине не наблюдается. Изменение показателя преломления в высококонцентрированных растворах может явиться причиной отклонений от основного закона светопоглощения