Вводная лекция. Особенность настоящего курса состоит в нацеленности на конкретный результат - приобретение навыка получения результата анализа

Особенность настоящего курса состоит в нацеленности на конкретный результат - приобретение навыка получения результата анализа, а не ознакомление с очередным блоком знаний.

В большинстве изучаемых курсов, изложение нового материала базируется на ограниченном, относительно малом объеме знаний предыдущих курсов. Например, качественный и количественный химический анализ базировался, в основном, на материале из курса общей химии, развивая это знание. Напротив, спектральные методы анализа (как и все "приборные" методы исследования) предполагают знакомство с физикой, математикой, химией, включая физическую химию, частью которой являются основы спектроскопии. Вообще говоря, глубокое понимание химии невозможно без понимания спектроскопии. Если объектами анализа являются металлические сплавы, необходимо знание основ металлургии. Вот краткий перечень необходимых разделов знаний:

Математика: Понятие производной и интеграла, их физический смысл. Например, путь-скорость-ускорение, масса-плотность, Дифференциальные уравнения. Математическая статистика. Функции распределения. Нормальное распределение.

Химия: Понятие количества вещества, моль. Способы выражения концентрации. Таблица Менделеева. Изотопы. Химическое равновесие. Скорость химической реакции.

Физика: Динамика, законы сохранения. Колебательное движение. Молекулярно-кинетическая теория. Газовые законы. Температура. Распределение молекул по скоростям и по кинетической энергии. З-н Больцмана. Электродинамика, электростатика, …

Таким образом, курс является синтетическим, использующим имеющиеся знания в их взаимодействии. В этом смысле его изучение есть одновременно введение в практическую работу инженера, т.е. знакомство с профессией инженера в значительной ее части.

Где и когда нужен инженер? Там, где возникла проблема. В отсутствии проблем технический персонал работает самостоятельно. Работа инженера начинается с анализа ситуации. Анализ, в широком смысле - составная часть профессии инженера, если не определяющая ее часть. Иногда инженер может предложить решение сам на основе его опыта и знаний. Чаще он вынужден обращаться за помощью к литературе и к специалистам в разных областях знания – ученым, исследователям, сотрудникам НИИ и ВУЗов. Для этого необходимо уметь говорить на их профессиональном языке, то есть обладать основами знания соответствующего предмета.

Так что же такое анализ применительно к нашим задачам?

1. Спектр, исследования Ньютона. Длины волн, дифракция и интерференция. Цвет раствора, поглощение света, связь со спектром. Интенсивность окраски - концентрация. Колориметрия по линейке растворов. Поглощение разных длин волн света раствором - рождение спектроскопии. Измерение интенсивности прошедшего света. Схема ФЭК.

ВЫВЕСТИ Закон Бугера-Ламберта-Бэра. Дифференциал, производная, построение дифференциального уравнения. Почему dI = -kIcdl? Интегрирование, постоянная. Важность: период полураспада, среднее время жизни возбужденного атома, продолжительность пребывания атомов? Протекание реакции I порядка. Развитие популяции.

Градуировочный график I(с) нелинеен (экспонента). A = 0,43klc, размерности k-c. Линейность градуировочного графика. Измерение концентрации вариацией длины кюветы.

Атомные спектры. Спектр Hg в дифракционной решетке (из CD-chip). Качественный спектральный анализ. Схема спектро -скопа, -графа, -метра (моно- и поли- хроматор). Происхождение спектра в тлеющем разряде.

ЗАДАЧА: Наблюдать спектры разгорающихся уличных фонарей света.

Пламя. Химическая реакция. Структура газового, предварительно смешанного пламени, горелка Бунзена, режимы горения. Сравнение разных пламен. Продукты горения, копоть. Излучение Na в пламени. Атомизация из раствора.

О нанотехнологиях. Некоторыми из них пользовались давно, только не знали, что они так называются.

2. Концентрация. Моль. Таблица Менделеева. Строение атома. Изотопы. Электронные оболочки - орбитали. Постулаты Бора - зачем? Аналог антенны и качелей. Энергетическая диаграмма атома. Возбужденный атом больше невозбужденного. Возбуждение - абсорбцией кванта и при столкновении (термическом и ускоренным зарядом). Опыт Франка и Герца. Механизм возбуждения в тлеющем разряде. eV. Дуговой, искровой разряд.

ЗАДАЧА: Вычислить диаметр молекулы воды.

3. Температура. Хаотическое движение, распределение по скоростям вдоль оси Х (dn/dv = f(V_X)) (Эффект Доплера). Соударения, энергия, длина свободного пробега, частота соударений. З-н Менделеева-Клайперона. Кинетическая энергия. Основное уравнение молекулярной динамики.

.

Мольная теплоемкость газа (Cv = i/2 R) и твердого тела (C = 3R).

Распределение частиц по энергии Максвелла и Больцмана (сравнить с барометрической формулой). Хим реакция и энергия активации Ea. exp(-Ea/kT) = (интеграл М-Б выше Ea).

Упругие - неупругие столкновения. Изменение формы орбитали и энергии атома при столкновении (эффект Лоренца). Энергия активации реакции возбуждения с последующим излучением:

A <=> A* <=> A + hn.

Заселенность возбужденного состояния: распределение Больцмана. Аналог

dEk/dh = exp(-mgh/kT)

ЗАДАЧИ: Построить графики зависимости заселенности первого возбужденного уровня Zn – l = 213.9 нм, Na – l = 589 нм, вращательного и колебательного движения молекулы CO – Энергия возбуждения 0,02 кДж/моль и 25 кДж/моль, соответственно.

Вывести выражение для длины свободного пробега и оценить частоту столкновений в аргоне при Т = 2200 °С.

Анализ, аналитическая химия, физические методы анализа

Качественный – количественный анализ

Происхождение атомных спектров

Атомно-эмиссионный анализ

1. История
2. Характер спектров атомов и ионов

а) линейчатые

в) резонансные

3. этапы анализа: иозб. Излучения; разложение его в спектр; регистрация; интерпретация.

4 Источники света – функции: атомизация (испарение и диссоциация); возбуждение.

Пламена – 2000 – 3000 К Бунзен, Меккер

Дуга - 5000-8000 К

Искра 12000 – 17000 К

ВЧ – индукционная плазма ИСП: - 6000 -10000 К

5. Основные процессы в источнике света

Испарение – терммическое;

Диссоциация:

Возбуждение:

Ионизация:

6. Спектральные приборы

а) по типу диспергирующего элемента:

Призменные

Дифракционные

ml=dsin не зависит от l 600-2800 штр/мм

Реплики:угол блеска, голографические решетки

б) по способу регистрации:

фотографическая (спектрограф)

фотоэлектрическая (спектрометр)

визуальные (спектроскопы – стилоскоп)

Основы качественного и количественного АЭ анализа

Качеств анализ:

Расшифровка спектров путем сравнения со спектром Fe, атласы, таблицы

фотографический вариант.g

Количественный анализ: I= hn _kig_kexp(-E_ki/kT)N₀/Z

I=aC^b Ломакин-Шайбе (1930-37)

0?5<b<1

Это обеспечило линейность градуировочного графика в логарифмических координатах в ограниченной области концентраций.

гомологичность линий, летучесть, DE<1эв

Dl<10нм

Стандартные образцы

Методы:

3 эталонов

добавок

Применение в металлургии:

Контроль по ходу плавки

Маркировочный анализ

Анализ готовой продукции

Анализ исходных материалов

Анализ неоднородностей

Основы качественного и количественного АЭ анализа

Качеств анализ:

Расшифровка спектров путем сравнения со спектром Fe, атласы, таблицы

фотографический вариант.g

Количественный анализ: I= hn _kig_kexp(-E_ki/kT)N₀/Z

I=aC^b Ломакин-Шайбе (1930-37)

0?5<b<1

Это обеспечило линейность градуировочного графика в логарифмических координатах в ограниченной области концентраций.

гомологичность линий, летучесть, DE<1эв

Dl<10нм

Стандартные образцы

Методы:

3 эталонов

добавок

Применение в металлургии:

Контроль по ходу плавки

Маркировочный анализ

Анализ готовой продукции

Анализ исходных материалов

Анализ неоднородностей

Aтомно-абсорбционный анализ

(1) История: Воластон (1802), Фраунгофер (1817), Кирхгоф (1859)+Бунзен, Уолш (1955), Львов (1959).

(2) Физические основы

Схема АА спектрометра

Дата добавления: 2014-01-07