double arrow

Возбуждение спектров в пламени

3

Пламенем называется высокотемпературная зона протекания реакции горения.

Горение – это физико-химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии, а также тепло- и массообменом с окружающей средой. В отличие от взрыва и детонации горение протекает с более низкими скоростями и не связано с образованием ударной волны. В основе горения лежит химическая реакция между горючим веществом, которое может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии, и окислителем.

Для аналитических целей используются исключительно пламена, возникающие при сгорании газообразных веществ (водорода, метана, пропана, бутана, ацетилена), окислителем служит кислород воздуха, чистый кислород или закись азота N2O.

Соотношение горючего газа и окислителя в смесях может быть стехиометрическим, а также выше или ниже его. Смеси, содержащие горючее в соотношении, меньшем стехиометрического, называют обедненными (восстановительными), а в соотношении, большем стехиометрического, – обогащенными (окислительными).

Название пламени складывается из названий горючего газа и газа-окислителя, написанных через дефис. Например, метан – воздух, ацетилен –закись азота.




Характеристики пламен, используемых в атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектроскопии, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Температура и скорость горения пламен

 

Пламена бывают ламинарные и турбулентные. Ламинарное пламя горит бесшумно и имеет стабилизированную в пространстве форму конуса.

При турбулентном горении наблюдаются пульсации, искривление и дробление поверхности пламени и испускание характерного шума.

Важной характеристикой пламени является скорость горения. Скорость горения (скорость распространения пламени) – это отрезок, который проходит фронт горения при поджигании горючей смеси в длинной трубке. Скорость горения определяет конструкцию сопла горелки для ламинарных пламен: скорость истечения газовой смеси из горелки должна превышать скорость распространения пламени vf, по крайней мере, в 2 – 3 раза. При меньших скоростях газового потока пламя ―проскакивает‖ в смесительную камеру, что может привести к взрыву. При больших – пламя отрывается от горелки и гаснет.

Ламинарное пламя сгорания углеводородов состоит из трех зон (рисунок 2), которые различаются по температуре и химическому составу.

В первичной реакционной зоне происходит первичная деструкция горючего, обычно она имеет ширину не более 1 мм. Температура в ней менее 1000 °K, поэтому для анализа эту зону не используют.

Рисунок 2 - Зоны ламинарного пламени: 1 – первичная реакционная; 2 – внутреннего конуса; 3 – вторичная реакционная



В зоне внутреннего конуса преобладают отрицательно заряженные радикалы и молекулы, обладающие восстановительным действием: С2˙, CN˙, СО˙,СН˙, Н2, NH˙. Температура этой зоны близка к максимальной для данной газовой смеси.

Во вторичной реакционной зоне, соприкасающейся с окружающим воздухом, окисление горючих газов идет до конца, т. е. в случае углеводородов –до образования СO2 и Н2O. В этой зоне преобладают радикалы с окислительным действием (Н3O˙, СО˙, О˙, ОН˙, NO˙, HCO˙), и она является предпочтительной для наблюдений эмиссии элементов, не образующих термостойких оксидов. Измерения в этой зоне характеризуются наибольшей стабильностью и наименьшими шумами.

Для большинства пламен максимальную температуру имеет граница между внутренней и вторичной реакционной зонами, и только в случае низкотемпературных пламен метан – воздух или пропан-бутан – воздух эта область на несколько миллиметров выше этой границы.

Горелки

Наиболее известны два типа газовых горелок: Бунзена и Бекмана.

В горелке Бунзена горючий газ и окислитель смешиваются до выхода из сопла, а пламя является ламинарным.

Горелка Бекмана представляет собой две концентрические трубки, через внешнюю подается горючий газ, через внутреннюю – окислитель. Смешение газов происходит непосредственно в зоне горения над соплом. Горелка Бекмана дает турбулентное пламя.

В спектральных приборах с пламенными источниками возбуждения спектров нашли применение усовершенствованные горелки обоих типов, однако их конструкции сложнее, поскольку содержат системы ввода жидкой пробы в высокотемпературную зону пламени – пневматические распылители (пульверизаторы).



Превращение анализируемого раствора в аэрозоль – наиболее эффективный и доступный способ введения пробы в пламя, характеризующийся высокой стабильностью во времени.

Принцип действия пневматического распылителя заключается в том, что поток сжатого газа при выходе через концентрическое отверстие, окружающее капилляр, второй конец которого опущен в жидкость, создает разрежение над торцом капилляра. В результате жидкость засасывается в капилляр и разбивается потоком газа на мелкие капельки с образованием аэрозоли.

Рисунок 3 – Горелка прямого ввода

Совмещенная с пульверизатором горелка Бекмана называется горелкой прямого ввода (рисунок 3). Диспергирование анализируемого раствора осуществляется сжатым газом-окислителем. Поскольку в этой системе все аэрозольные частицы попадают в пламя, ее еще называют горелкой полного потребления.

Эти горелки просты по устройству. Они дают возможность использовать такие высокотемпературные пламена (> 3000 °K), как водород – кислород, ацетилен – кислород, которые при других условиях работы с ними чрезвычайно опасны. Однако из-за турбулентного характера горения уровень флуктуации аналитического сигнала иногда оказывается довольно высоким.

Ламинарные пламена получают в горелках предварительного смешения (рисунок 4), которые, по сути, являются модифицированными грелками Бунзена. В смесительной камере аэрозоль, получаемый распылением раствора сжатым газом - окислителем, смешивается с горючим газом. Полученная смесь затем поступает в сопло. Перегородки, расположенные перед распылителем, служат для предотвращения попадания крупных капель в пламя. При прохождении вдоль перегородок газовая смесь неоднократно меняет свое направление, и более крупные капли вследствие инерции ударяются и прилипают к перегородкам и стенкам камеры, а затем стекают по дренажной трубке. В результате в пламя попадают только частицы аэрозоля с диаметром менее 10 мкм, которые успевают атомизироваться за время пребывания в пламени.

Рисунок 4 – Устройство горелки предварительного смешения

Задания.

1. Нарисуйте схему электрической дуги, используемой в качестве источника возбуждения спектров. Опишите принцип её действия.

2. Для чего нужны источники возбуждения спектров?

3. Чем различаются ламинарные и турбулентные пламена?

 

Литература.

1. Глубоков Ю.М., Головачева В.А., Ефимова Ю.А.. Аналитическая химия. Учебное пособие для СПО. М. : Издательский центр "Академия", 2017.

2. Гармаш А.В. Сорокина Н.М. Метрологические основы аналитической химии. МГУ: М, 2017.

3. Гарифзянов А.Р.Эмиссионная фотометрия пламени и атомно-абсорбционная спектроскопия: электронное учебное пособие. Казань: Казан. гос. ун-т им. В.И.Ульянова-Ленина, 2009



3




Сейчас читают про: