Атомно –эмиссионная спектроскопия

Спектральные методы анализа.

Спектральные методы анализа - это методы, основанные на определении химического состава и строения веществ по их спектру.

Спектроскопия основана на взаимодействии определяемого соединения с ЭМИ. При это происходит изменение внутренней энергии определяемого соединения.

ΔE=Ek-Eн

Если ΔЕ>0, то определяемое вещество поглощает энергию.

Если ΔЕ<0, то определяемое вещество испускает энергию.

Спектром вещества называют упорядоченное по длинам волн электромагнитное излучение, испускаемое, поглощаемое, рассеиваемое или преломляемое веществом. Методы, основанные на получении и изучении спектров испускания (эмиссии) электромагнитного излучения (энергии), называют эмиссионными, поглощения (абсорбции) - абсорбционными, рассеяния - методами рассеяния, преломления - рефракционными.

Спектр вещества получают, воздействуя на него температурой, потоком электронов, световым потоком (электромагнитной энергией) с определённой длиной волны (частоты излучения) и другими способами. При определённой величине энергии воздействия вещество способно перейти в возбуждённое состояние.

Волновыми параметрами являются:

1. Частота (длина волны)излучения определяется составом исследуемого вещества (v) – число колебаний в сек. (с^-1)

2. Длина волны (λ) – расстояние между двумя максимумами или минимумами волны (А, нм, мкм, см, м)

3. Волновое число (w) – показывает какое число волн приходится на 1 см (см^-1)

λ = c/v

c- скорость света = 2,998* 10¹⁰ м/с

w=1/ λ

w=v/c

Энергетическим параметром является энергия фотона или кванта Е (эВ, Дж)

Уравнение Планка: ΔЕ =hv=hc/ λ =hcw

Методы, работающие в УФ, видимом и ИК диапазоне называют оптическими методами.

Химические свойства и оптическийспектр атома определяется набором его энергетических уровней, зависит от строения внешних незаполненных электронных оболочек, т.к. энергия источников излучения недостаточна для возбуждения внутренних электронов.

Атомная спектроскопия.

В основе методов лежат спектры атомов, которые наблюдаются при поглощении или испускании рентгеновского, УФ- и видимого излучения веществом, который находится в атомарном состоянии.

Молекулярная спектроскопия.

В основе методов лежат спектры молекул, которые наблюдаются при поглощении или испускании ЭМИ. В молекулярной спектроскопии наибольшее распространение получили методы возбуждения молекул квантами ЭМИ. Эти методы используют для получения спектров поглощения, флуоресценции и рассеяния. Для получения эмиссионных спектров используют тепловое возбуждение атомов. 

Атомно –эмиссионная спектроскопия.

Метод атомно-эмиссионной спектроскопии основан на переводе определяемого соединения в атомарное состояние, возбуждении атомов и измерении спектров возбужденными атомами.

Валентные электроны атома переходят с основного на более высокий энергетический уровень при возбуждении атомов. Энергия, необходимая для перехода атома из нормального в возбужденное состояние, называется энергией возбуждения (потенциалом возбуждения).

В возбужденном состоянии атом находится 10^–9–10^–8 с, валентные электроны приобретают дополнительную энергию, затем, возвращаясь на низкий энергетический уровень, испускает квант света строго определенной частоты и длины волны. При самопроизвольном возвращении электронов в исходное состояние, атом будет излучать запасённую энергию в виде УФ- и видимого света.

Приборами фиксируют длину волны испускаемую атомом и получают линейчатый атомный спектр, который состоит из набора отдельных линий.

Для получения спектра испускания атомов вещество следует перевести в атомарное состояние и возбудить атомы. Все атомы можно заставить излучать свет в УФ- и видимой области. Для этого необходимо внешнее воздействие такой силы, чтобы:

¾ ‑ произошел разрыв межмолекулярных химических связей вещества, находящемся в конденсированном или твердом состоянии, то есть, чтобы образовались отдельные молекулы;

¾ ‑ молекулы распались на атомы;

¾ ‑ атомы перешли из основного состояния в возбужденное, причем необходимо, чтобы изменилось энергетическое состояние внешних, валентных электронов в атоме.

Излучение источника света складывается из излучения атомов всех элементов, присутствующих в пробе. Для элементного анализа необходимо выделить излучение каждого элемента. Это осуществляют с помощью оптических приборов – спектрометров, в которых световые лучи с разными длинами волн отделяются в пространстве друг от друга.

Излученные кванты света можно зарегистрировать несколькими способами, например, визуально, фотографическим или электрометрическим способом. Квантам света одной длины волны соответствует спектральный сигнал на регистрирующем устройстве. В визуальном и фотографическом способе регистрации сигнал представляет собой линию, в электрометрическом – сигнал регистрируется в форме узкого пика.

Каждому энергетическому переходу соответствует одна спектральная линия.

Интенсивность каждого сигнала в спектре испускания атомов зависит от электронного строения атома, температуры плазмы, концентрации электронов в плазме, концентрации в плазме возбужденных атомов, излучающих свет. Концентрация возбужденных атомов пропорциональна числу невозбужденных атомов в плазме, которое, в свою очередь, пропорционально содержанию атомов определяемого элемента в пробе анализируемого вещества.

Излучение атомов с помощью спектральных приборов разлагается в эмиссионный спектр, который состоит из набора отдельных спектральных линий. Каждая спектральная линия соответствует определенному переходу электронов и характеризуется частотой и длиной волны, а также интенсивностью излучения. Для аналитических целей используют наиболее интенсивные резонансные линии. Эти линии называют аналитическими или последними, т. к. при уменьшении концентрации определяемого элемента они исчезают в его спектре в последнюю очередь. Эмиссионные спектры наблюдаются в видимой и УФ- областях ЭМИ.

Качественный спектральный анализ основан на определении длин волн отдельных спектральных линий, характерных для определенного элемента и отнесении их к отдельным атомам анализируемого вещества. Определение длины волны аналитических линий элементов проводится путем сравнения спектра анализируемого вещества со спектром железа, который содержит большое число линий в разных областях спектра и хорошо изучен. Для идентификации элемента достаточно трех последних линий.

Количественный спектральный анализ основан на измерении интенсивности одной из аналитических линий и сравнении её с интенсивностью такой же линии в спектре эталонного образца определяемого элемента. Интенсивность спектральных линий связана с концентрацией определяемого соединения. Аналитическим сигналом является интенсивность излучения.

I=aC

а- коэффициент, зависящий от природы определяемого элемента.

Прибор измерения атомных эмиссионных спектров – это атомизатор- источник возбуждения, куда вводится анализируемое вещество, монохроматор, детектор- приемник излучения, регистрирующее устройство.

Образец помещают в атомизатор, где происходит атомизация соединения и возбуждение атомов. Излучение, которое испускают возбужденные атомы проходит через монохроматор, где оно разлагается в спектр и выделяется излучение определенной длины волны.

Методы АЭС позволяют определять содержание 80 элементов и хар-ется высокой экспессностью. Высокая чувствительность, некоторые элементы можно определить при содержании в пробе 10^-4-10^-7 %. Погрешность составляет 0,1-1%.