Вход

Молекулярная спектрометрия

Реферат по философии
Дата добавления: 23 января 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 250 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Методы молекулярной спектрометрии в анализе объек тов окружающей сре ды КРАТКИЙ ОБЗОР РЕФЕРАТА : Молекулярная спектрометрия в анализе объе ктов окружающей среды , сущность метода , кратка я характеристика методов молекулярной спектромет ри , аналитическая форма , способы ее получения,с пособы определения концентра - ции , метод доба вок , метод сравнения , градуировочный графи к , дифференциальная спектрометрия , конкретные прим еры . Цель работы : изучить химические и инструментальные мет оды спектрометрического анализа объектов окружаю щей среды и рассмотреть способы практического применен ия. Введение Аналитическая химия является фундаментальной химической наукой , занимающей видное место в ряду других химических дисциплин . Вместе с тем аналитическая химия теснейшим обра зом связана с повседневной практикой , посколь ку без данных анализа о с одержании в сырье или ином объекте основных комп онентов и примесей невозможно грамотное прове дение технологического процесса в любой отрас ли промышленности . Данные химического анализа требуются при решении экономических и других важных вопросов . Предмето м аналитической химии являетс я разработка методов анализа и практическое выполнение анализов , а также широкое иссл едование теоретических основ аналитических метод ов . Одним из важных вопросов , которые успе шно решает аналитическая химия , является анал из об ъектов окружающей среды . Заметно возросла роль аналитической химии в данном вопросе в связи с тем , что больше в нимания стало уделяться состоянию и контрою за загрязнением окружающей среды , контролю за технологическими выбросами , сточными водами . На Украин е , как и во всем мире , работает специальная служба наблюдения и контроля за уровнем загрязнения окружающ ей среды . Если немного призадуматься , то с разу возникнет вопрос – а как и каки м методом анализа пользуются ? Из ведь вели кое множество . Так уж получилсь, чт о мне выпала великая честь (а если чес нее 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 анал иза основаны на зависи мости физико-химиче ского свойства вещества , называемым аналитическим сигналом или просто сигналом , от природы вещества и его содержания в анализируемой пробе . В классич еских методах химического анализа в качестве такого свойст ва используется или масса осад ка (грав иметрический метод ), или объем реактива , израсх одованный на реакцию (титриметрический анализ ). Однако , химические методы анализа не в со стоянии были удовлетворить многообразные запросы практики , особенно возросшие как результат научно-технического прогресса и развитс я других отраслей науки и техники . Наряду с черной и цветной металлургией , машиност роением , хим . промышленностью , другими традиционным и отраслями большое значение для промышленног о потенциала страны стало освоение энергии атомной энерги и , энергии синтеза , работа со сверхпроводниками , прогресс полупроводн иковой промышленности , бурный рост , почти что взрыв развития микроэлектроники , применение чистых и сверхчистых веществ в технике . Ра звитие этих отраслей поставило задачу перед аналитическ о й химией снизить пре дел обнаружения до 10 -5 и % Естественно , что наука на месте не стоит . Самое главное – правилно поставить задачу , а уж только потом рассматривать различные методы для ее решения и ре ализации на практике . Так вот , с пределом обна ружения до 10 -5 и 10 – 10 % непосредственно классическим химическим анализом работать трудно и сложно , а вот такие физико-химические методы , как абсорб ционная спектрометрия , атомно-абсорбционная спектромет рия , анализ с помошью плазменно-ионные детекто ров , м олекулярная спектрометрия успешно с правляются с поставленными задачами . Важной особенностью данных методов анализ а является : экспрессность – выпокий темп получения результатов ; избирательность - точное и сверхточное обнаружение примесей ; недеструктивн ость – выполнение анализа вещества б ез разрушения образца ; дистанционность – возможность проведения анализа на значи тельном расстоянии от исследуемого вещества ; локальность – определение элемента в данной точке обра зца Суть метода анализа Итак , в оной главе пойдет речь о сущности анализа методом молекулярной сп ектрометрии . Данный метод основан на поглощнии световых волн молекулами вещества . Свет - это электромагнитные вол ны с длиной волны 4*10 -7 - 8*10 -7 м . Электромагнитные волны излучаются пр и уско ренном движении заряженных частиц . Для того чтобы атом начал излучать э нергию , ему необходимо передать энергию . Излуч ая , атом теряет полученную энергию , и для непрерывного свечения вещества необходим при ток энергии к его атомам извне . Все вещества , атомы которых находятс я в возбужденном состоянии , излучают световые волны , энергия которых определенным образом распределена по длинам волн . Поглощение с вета веществом также зависит от длины вол ны . Так , красное стекло пропускает волны , с оответствующие красному свету , и погло щает все остальные . Если пропускать белый свет сквозь хол одный , неизлучающий газ , то на фоне непрер ывного спектра источника появляются темные ли нии . Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн , которые он и спускает в сильно нагретом состоянии . Те мные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения , образующие в совокупнос ти спектр поглощения . Существуют непрерывные , линейчатые и поло сатые спектры излучения и столько же видо в спектров поглощения . Линейчатые спектр ы играют особо важную роль , потому что их структура прямо связана со строением а тома . Ведь эти спектры создаются атомами , не испытывающими внешних воздействий . Поэтому , знакомясь с линейчатыми спектрами , мы тем самым делаем первый шаг к изучению стр оения а томов . Наблюдая эти спектры , ученые получили возможность “заглянуть” внутрь атома . Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой . Главное свойство линейчатых спектров сост оит в том , что длины волн (или частоты ) линейчатого спектра какого-либо вещ ества зависят только от свойств атомов этого вещества , но совершенно не зависят от с пособа возбуждения свечения атомов . Атомы люб ого химического элемента дают спектр , не п охожий на спектры всех других элементов : о ни способны излучать строго-определенный н а бор длин волн . На этом и основан спектр альный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру . Подобно отпечаткам пальцев у людей ли нейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальн ость . Неповторимость узоров на коже пальца помога ет часто найти преступника . Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический со став 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 ли ний зависит не только от массы вещества , но и от способа воз бужд ения свечения . Так , при низ ких температурах многие спектраль ные линии вообще не появля ются . Однако при соблюдении стандарт ных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ . Закон Бугера – Ламберта - Бера Атом , ион или молекула , поглощая квант света , переходит в более высокое энергети ческое состояние . Обыч но это бывает пе реход с основного , невозбужденного уровня на один из более высоких , чаще всего на первый возбуужденный уровень . Вследствие пог лощения излучения при прохождении его через слой вещества интенсивность излучения уменьш атеся и тем больше , чем в ы ше концентрация светопоглощающего вещества. Закон Бугера – Ламберта – Бера связывает ууменьшение интенсивности цвета , прошед шего через слой светопоглощающего вещества , с концентрацией вещества и толщиной слоя . Ч тобы учеть потери света на отражение и рассе яние , сравнивают интенсивности цвета , прошедшего через исследуемый раствор и р астворитель . При одинаковой толщине слоя в кюветах , из одинакового материала , содержащих один и тот же растворитель , потери на отражение и рассеяние света будут примерно одинако в ы у обоих пучков и уменьшение интенсивности света будет зависеть от концентрации вещества . Уменьшение интенсивности света , прошедшего черз раствор , характеризуется коэффициентом пропускания (и ли просто пропусканием ) Т , где I и I 0 – соответственно интенси вности света , прошедшего через рас твор и растворитель. Т =I/I 0 Взятый с обратным знаком логарифм Т называется оптической плотность ю А : -lgT= - lgl/l 0 = lg l 0 /l = A Уменьшение интенсивности света при прохож дении его через раствор подчиняется закону Бугер а – Ламберта – Бера : I=I 0 * 10 - lc и ли I/I 0 =10 - lc Где - молярный коэффициент поглощени я , l – толщина светопоглощающего слоя, с – концентрация раствора Фи зический смысл молярного коэффициен та поглощения сразу становится ясным , если мы принимаем с = 1 моль /л и l = 1 см . Тогда А = . Следовательно , молярный коэффициент поглощени я равен оптической плотности одномолярного ра створа при толщиние слоя 1 см . Оптическая плотность раствора , содержащего несколько окрашеных веществ , обладает свойст вом аддитивности , которое называют свойст вом 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 оптиче скую плотность . Т.е . мы получаем : A=l( 1 c 1 + 2 c 2 + k c k ) В соответствии с уравнением – lgT = A = lc получается , что зависимость оптической плотности от концентации графически выраж ается прямой линией , вых одящей из нача ла координат . Опыт же показывает , что лине йная зависимость наблюдается не всегда . При практическом применении закона необходимо учит ывать следущие ограничения : 1. Закон справедлив для моно хроматического света . Чтобы отметить это огра ничение в уравнение вводят индексы и записывают в виде : A = lc. Ин декс указывает , что величиныы А и относят ся к монохроматическому свету с длино й волны 2. Коэффициент зависит от показателся прелом ления среды . Если концентрация раствора сравн ительно невелика , его показатель преломления остается так им же , каким он был у чистого растворителя , и отклонений от зак она по этой причине не наблюдается . Измене ние показателя преломления в высококонцентрирова нных растворах может явиться причиной отклоне ний от основного закона светопоглощения 3. Температура пр и измерениях должна оставатсья постоянной хотя бы в пределах нескольких градусов Пучок света должен быть параллельным Данное уравнение соблюдается для систе м , в которых светопоглощающими центрами являются частицы то лько одного сорта . Если при изменени и концентрации будет изменяться природа этих частиц вследствие , напимер , кислотно – о сновного взаимодействия , полимеризации , диссоциации , то зависимость А от с не будет лие йной , так как морярный коэффициент поглощения вновь образующихся частиц не будет в о бщем случае одинаковым. Спектры поглощения Свет поглощается раствором избирательно : при некоторых длинах волн светопоглощение про исходит интенсивно , а при некоторых свет н е поглощается . Интенсивно поглощаются кванты света , энергия которых равна h энергии возбуждения частицы и вероятность их поглощения больше нуля . Молярный коэффициент поглощения при э тих частотах (или длинах волн ) достигает б ольших значений. Распределение по частотам (ил и по длинам волн ) значений молярного коэффициента поглощения называется спектром по глощения. Обычно спектр поглощения выражают в виде графической зависимости оптической плотно сти А или молярного коэффицциента поглощения от частоты или длины волны падающего света . Вместо А или нередко одкладывают их логарифмы. Кривые в координатах lgA - при изменении в концентрации или толщины сло я перемещаютс я по ординате вверх или вниз параллельно самим себе , в то время как кривые в координатах А - этим свойством не обладают . Существенное значение имеет эта особеннсть для качественного анализа . При изучении и нфракр асных спектров на графике обычно откладывают процент светопропускания как функц ию ` или Таким образом , наибольший интерес предста вляют следующие характеристики спектра : число максимумов (числ о полос поглощения ) и их положение по шкале длин волн (или ч астот ), высота максимуума , форма полос поглощен ия. Для точного исследования спектров такие простые приспособления , как узкая щель , о граничивающая световой пучок , и призма , уже недостаточны . Необх одимы приборы , дающие четкий спектр , т . е . приборы , хорошо разд еляющие волны различной длины и не допуск ающие перекрытия отдельных участков спектра . Такие приборы называют спектральными аппаратами . Чаще всего основной частью спектрального аппарата являетс я призма или дифр акционная решетка . Рассмотрим схему устройства призменного с пектрального аппарата . Исследуемое излучение пост упает вначале в часть прибора , называемую коллиматором . Коллиматор представляет собой трубу , на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью , а на другом - собира ющая линза . Щель находится на фокусном рас стоянии от линзы . Поэтому расходящийся светов ой пучок , попадающий на линзу из щели , выходит из нее параллельным пучком и пада ет на призму . Так как разным частотам соответствуют р азличные показатели преломления , то из призмы выходят параллельные пучки , не сов падающие по направлению . Они падают на лин зу . На фокусном расстоянии этой линзы расп олагается экран - матовое стекло или фотопласт инка . Линза фокусирует параллельные пучки луч е й на экране , и вместо одного изображения щели получается целый ряд из ображений . Каждой частоте (узкому спектральному интервалу ) соответствует свое изображение . Все эти изображения вместе и образуют спектр . Описанный прибор называется спектрографом . Если в место второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуальног о наблюдения спектров , то прибор называется спектроскопом . Призмы и другие детали спект ральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла . Вместо стекла применяются и такие прозр а чные материалы , как кварц , каменная соль и другие. Появление полос поглощения обусловлено дискретностью энергетических состояний поглощающих частиц и квантовой природыы электромагнитног о излучения . Интенсивно поглощаются кванты св ета , которые соответствую т энергии возбуж дения частицы , которая складывается из энерги и вращения частицы как целого , энергии кол ебания атомов и движения электронов : Е = Е вр + Е кол + Е эл Вращательную энергию молекул обычно ра ссматривают с помошью модели жесткого ротатор а , кото рый представляет собой две масс ы , находящиеся одна от другой на фиксирова нном расстоянии . Возбуждение вращательных уровней энергии происходит уже при поглошении да лекого инфракрасного (ИК ) и микроволнового изл учения , имеющие длину волны > 10 2 см – 1 . В настоящее время чисто вращательные спектры в аналити ческих целях не используют . Их применяют , главным образом , для исследования строения мо лекул , определения межъядерных расстояний. Полосы , связанные с возбуждением коле бательныых уровней энергии , расположены в области спектра от 200 .. 300 до 4000 … 5000 см – 1 что соответствует энергии квантов от 3 до 60 кДж . Поэтому , при обычныых температурах , энергетическое сотояние молекул характеризуется , как правило , основным колеб ательным уро внем . Применение квантовой теории показывает , что энергия такой системы может быть найд ена по уравнению : Е кол = (V+1/2)h 0 Так вот , колебательные спектры интерпрети руют на основе учения о симметрии молекул и тео рии групп . Математический аппара т теории групп позволяет вычислить число частот и правила отбора для молекул разли чной симметрии . Такая информация , черезвычайно ценная для определения молекулярных констант , изучения строения молекул , находит относительн о у зкое применение для решения химико-аналитических задач. Верхней энергетической границей колебательно го спектра обычно считают энергию фотонов примерно 5000 см -1 , или около 60 кДж . Дальнейшее увеличение энергии облучающих квантов чаще всего бууд ет приводи ть к возбуждению электронов и появлению в спектре полос , характеризующи х электронные переходы , хотя , естественно , эта граница может смежаться немного в ту или иную сторону . Интерпретация электронных спектров может быть сделана на основе квантово-механичес к их представлений , напри мер метода молекулярных орбиталей (МО ). В с оответствии с положениями этого метода , элект роны в молекулах могут находиться на связ ывающих , несвязывающзих и разрыхляющих орбиталях . Различные электронные переходы требуют неод инаковой э н ергии , поэтомуу полосы поглощения распологаются на разных длинах вол н. Интенсивность полос в спектре поглощения характеризуют интегралом поглощения или сило й осциллятора , определяемой выражением : = 3hm B / e 2 где B – коэффициент Энштейна , характеризующий вероятность перехода . Коэффиц иент Энштейна связан с электрическим дипольны м моментом перехода и может быть расчитан по уравнению : B = K / и соотношение данных уравнений позволяеет вывести зависимость в интегральной форме : = 4,33*10 -9 Данное соотношение показывает , что чем более вероятныым является переход , тем болл ьш е сила осциллятора . В частности , раз решенные переходы характеризуются величиной которая близка к 1, как это наблюдается у окрашеных красителей , а у запрещенных переходов , к примеру у переходов с изменением мультип летности те рма , сила осцилятора составляе т примерно 10 -7 Для аналитической характеристики соединений имеет значение не столько интегральное п оглощение , сколько светопоглощение при определенн ой длине волны . Важныыми аналитическими харак теристиками является моляльный коэффициент коглощения в точке максимума max и полуширина полосы поглощения = ` 1/2 Методы анализа Методы количественного анализа основ аны на законе Бугера-Ламберта-Бера , выраженном уравнением : -lgT= - lgl/l 0 = lg l 0 /l = A В связи с тем , что значения коэффициента пропускания Т находятс я в пределах от 0 до 1, оптическая плотность раствора А = -lgT может принимать , как казалось бы , любые положительные значения от нуля до бесконечности.Однако , экспериментальному определению с необходимой точностью доступны долеко не любые значения А . Так , значения А мень ше 0.01 не определяются в связи с очень б ольшой погрешностью из измерения . Ур а внение показывает , что основными параметр ами фотометрического определения является длина волны , при которой производится измерение , оптическая плотность , толщина кюветы , концентра ция раствора . Существенное влияние оказывают химические факторы , связанные с полнот ой протекания фотометрической реакции , концентрац ией окрашенных реактивов , их устойчивостью . В зависимости от свойств анализируемого прибор а выбирают те или иные условия анализа. Метод градуировочного графика. В соответствии с законом Бугера-Ламбе рта-Бера график в координатах оптическая плотность – концентрация должен быть ли нейным и прямая должна проходить через на чало координат . И для построения графика в полне достаточно одной экспериментальной точки . Но , график обычно строят по трем точкам , что уточняет график и повышает точность и надежность определения . При откл онении от закона Бугера-Ламберта-Бера , сиречь п ри нарушнии линейной зависимости А от с , число точек на графике должно быыть ув еличено . Применение градуировочных графиков являе тся наибол е е распространенным и т очным методом фотометрических измерений . Основныы е ограничения метода связаны с трудностями приготовления эталонных растворов и учетом влияния третьих компонентов , которые находятся в пробе , сами не определяются , но оказ ывают влияние на конечный результат . Метод добавок. Этот метод применяют при анализе раст воров сложного состава , так как он позволя ет автоматически учесть влияние третьих компо нентов . Сущность его заключается в следущем . Сначала определяют оптическую плотность А х анал изире мого раствора , содержащего определяемый компонент неизвесной концентрации с х , а затем в анализируемый раствор добавляют известное количество определ яемого компонента ( с ст ) и внось измеряют оптическую плот ность А х +ст . Оптическая плотность анализируем ого раствора равна : А х = lc x а оптическая плотность анализируемого рас твора с добавкой стандартного : А х +ст = l (c x + с ст ) Метод дифференциальной фотометрии. Фотометрирование интенсивно окрашенных растворов успешно осуществляется дифференциальной фотометрии . Если в обычной фотометрии сравн ивается интенсивность света I x , прошедшего через анализируемый раствор неизвестной концентрации , с интенсив ностью света I 0 , прошедшего через растворит ель , то в дифференциальной фотометрии луч света проходит не через растворитель , а через ок рашенный раствор известной концентрации – та к называемый раствор сравнения с ср . Его интенсивность об означим как I ср . Отношение интенсивностей I x /I ср называется условн ыым коэффици ентом пропускания T` x . И переходя от коэффициентов к опти ческим плотностям , получим : A` x = A x – A ср А ` х = lc x - А ср где А ` x – относительная оптическая плотность. Таким образом , дифференциальная фотометрия су щественно расширяет концентраций , доступн ую для точных фотометрических измерений . Кром е того , точность некоторых методик диференциа льной фотометрии превышает точность методик о бычной фотометрии . Кстати , обычную фотометрию при Т ср = 1 мы можем рассматривать , как частный случай дифференциальной. Метод количественного анализа по ИК-спект рам . Анализ по ИК-спектрам также основан на применении закона Бугера-Ламберта-Бера .. Чаще в сего здесь используется метод градууировочного графика , т.к . метод молярного коэфф ициен та здесь слабо применим из-за рассеяния , с плошного поглощения и других эффектов ИК-излу чения . Многие сложности ИК-спектрометрии успешно преодолеваются с помошью метода базовой ли нии , к оторый получил достаточно большо ра спостранение в практике. Экстр акционно – фотометрические мето ды . Эти методы применяют в аналитической химии очень даже широко , причем определение анализируемого компонента в экстракте может производиться как фотометрическим , так и др угим методом : полярографическим , спектральным . Вмес те с тем существуют некоторые группы экстракционных методов , в которых фотометрич еское окончание является наиболее эффективныым , обеспечивая необходимую быстроту и точность определения . Эти методы надываются экстракционн о-фотометрическими . Весьма распостр а ненной явлсяется методика , по которой определенный микроэлемент переводят в растворимое в в оде окрашенное соединение , экстрагируют его и экстракт фотомоделируют . Такая методика позв оляет устранить мешающее влияние посторонних компонентов и увеличивает чус т вительн ость определения , так как при экстракции п роисходит концентрирование микропримесей . Например , определение примесей железа в солях кобаль та или никеля проводят экстракцией его ти оцаинатных комплексов амиловым спиртом. Фотометрическое титрование . В этом методе точка эквивалентности определяется с помощью фотометрических измер ений . В ходе такого титрования измеряется светопоглощение раствора . Реализация данного мето да возможна , если только есть подходящий и ндикатор или хотя бы один из компонентов ре а кции поглощает свет. Практическое применение В данном реферате были сделаны попытк и дать краткий обзор анализа объектов мет одом молекулярной спектрометрии , изуения химическ их и инструментальных методов спектрометрическог о анализа объектов окружающей сред ы , рассмотреть способы практического применения. Фотометрические и спектрометрические методы анализа применяются для определения многих (более 50) элементов периодической системы , глав ным образом металлов . Методами абсорбционной спектрометрии анализируют ся руды , минералы , объекты окружающей среды , продукты переработки обогатительных и гидрометаллургических предприя тий . Эффективно эти методы используется в металлургической , электронной областях промышленности , в медицине , биологии , криминалистике и т.д . Б о льшое значение они имеют в аналитиченском контроле окружающей среды и решении экологических проблем . Значительно р асширились области практического применения мето дов абсорбционной спектроскопии благодаря более широкому использованию инфракрасной области с п ектра и приборов на базе ЭВ М . Это позволило разработать методы анализа сложных многокомпонентных систем без их хи мического разделения . Простые , быстрые и точны е методы анализа имеют огромное значение для исследования различных реакций , установления состав а и исследования различных химических соединений . Успехи химии координацио нных соединений , достижения микроэлектроники , приб оростроения дают все основания ожидать дальне йшего повышения точности и чувствительности э тих методов.
© Рефератбанк, 2002 - 2017