Характерные особенности и возможности метода.

К особенностям и преимуществам спектрального анализа можно отнести следующее: универсальность, скорость определений, воспроизводимость, правильность, точность, чувствительность, предел обнаружения, документальность.

1. Универсальность. Спектральный анализ позволяет анализировать вещество, находящееся в любом агрегатном состоянии (твердом, жидком и газообразном), без существенной предварительной подготовки проб и при использовании одной и той же аппаратуры, но различных источников света. Метод дает возможность одновременно определять большое число (более 30) элементов в одной навеске анализируемого образца без предварительного разделения.

2. Скорость определений. Одно из важных преимуществ спектрального анализа по сравнению с другими инструментальными методами анализа – это скорость его выполнения. Так, например, продолжительность анализа, спектрографическим методом составляет 15-30 мин. С помощью дифракционного фотоэлектрического прибора ДФС-10 можно определить 11 элементов одного образца в течение 6-8 мин.

Большая производительность спектральных фотоэлектрических установок (квантометров) делает спектральный метод анализа экспрессным и экономически весьма эффективным при массовом анализе однотипных образцов сплавов и других объектов. К числу других достоинств метода следует отнести возможность анализировать готовые изделия без их повреждений и проводить локальный анализ, так как для качественного и количественного спектрального анализа требуется миллиграммовые количества вещества, а для локального анализа – порядка 10^-6 г.

3. Воспроизводимость. В ходе количественного анализа химик-аналитик одним и тем же методом, с помощью одних и тех же приборов производит несколько параллельных определений концентрации. При использовании совершенной методики анализа и четком выполнении всех ее требований отдельные результаты измерений должны быть достаточно близки друг к другу и действительному содержанию определяемых компонентов в образце. Степень близости друг к другу результатов единичных измерений аналитического сигнала или определяемого содержания характеризует воспроизводимость метода анализа.

Результат количественного анализа практически всегда несколько отличается от истинной концентрации определяемого компонента в образце из-за некоторой ошибки (погрешности) определения.

4. Правильность. Степень близости результата анализа к истинному содержанию определяемого компонента в образце характеризует правильность метода анализа.

5. Точность. Для качественной характеристики методики анализа, отражающей близость к нулю ошибок всех видов – как систематических, так и случайных, используется термин точность. В спектральном анализе точность определений зависит от многих факторов: от минерального состава пробы, от величины определяемой концентрации элемента, от способа регистрации спектра (фотографический и фотоэлектрический) и от других причин. При применении фотоэлектрических методов регистрации спектра точность определения может быть доведена до 1-2%. При определении малых концентраций (10^-5–10^-8 %) погрешность спектрального определения достигает 10-30%.

6. Чувствительность метода анализа – метрологическая характеристика, отражающая способность метода обнаружить разницу между близкими концентрациями (количествами) определяемого вещества. Если определение концентрации производится по градуировочной кривой, построенной по стандартным образцам, то чувствительность метода равна тангенсу угла наклона этой кривой при данной концентрации. Если градуировочный график прямолинеен, то чувствительность метода определяется отношением ∆Х/∆С, где ΔХ – разность аналитических сигналов, ΔС – соответствующая им разность концентраций.

Предел обнаружения – наименьшее содержание определяемого вещества, при котором по данной методике можно обнаружить его присутствие в пробе с данной доверительной вероятностью. Обозначение предела обнаружения: С_minp, где p – доверительная вероятность (например, С_min 0,95). Предел обнаружения находят по градуировочной кривой по величине минимального обнаруживаемого аналитического сигнала.

Различают абсолютный и относительный пределы обнаружения. Абсолютный предел обнаружения – наименьшее количество вещества, которое может быть обнаружено данным методом. Абсолютный предел обнаружения выражается в абсолютных весовых единицах граммах, миллиграммах, микрограммах и т.п. Относительный предел обнаружения - наименьшая обнаруживаемая данным методом концентрация. Выражается относительный предел обнаружения в единицах концентрации (%, мг/мл, мкг/мл и т. д.).

7 Документальность. При фотографическом варианте метода спектрального анализа полученная фотографическая пластинка с изображением спектра может храниться длительное время и может быть документом, по которому можно многократно произвести проверку правильности выполненного качественного и количественного спектрального анализа.

Недостаток метода – это необходимость применения эталонов, химический состав которых должен соответствовать каждому анализируемому объекту, так как на результаты спектрального анализа влияет валовой состав проб и их физическое состояние.

Тем не менее, эмиссионный спектральный анализ занимает одно из главных мест среди других аналитических методов.

Область применения метода. Спектральный анализ широко применяют в различных областях науки и техники.

1. В материаловедении для определения элементов-примесей в веществах высокой чистоты.

2. B чёрной металлургии спектральный анализ чугунов, сталей и сплавов составляет 30-50 % по отношению к химическим и другим методам анализа.

3. В геологии миллионы металлометрических проб ежегодно подвергают спектральному анализу на содержание в них до 70 элементов. Эти работы ведут при поисках месторождений полезных ископаемых по ореолам рассеяния элементов. Спектральный анализ также широко применяют вместо химического при анализе различного минерального сырья.

4. В биологии и медицине спектральный анализ применяется для определения микроэлементов в растениях, в почвах, в организмах животных и т. д.

5. В астрономии, спектральный анализ является единственным методом определения элементного состава космических тел.

По эффекту Доплера измеряются скорости приближения и удаления звезд и туманностей.

Эти примеры не исчерпывают всех возможностей эмиссионного спектрального анализа. Он продолжает развиваться и находить новые области применения, например: для анализа газов, изотопов и др.

Контрольные вопросы

1. Какие элементарные частицы входят в состав атома?

2. Что такое электрон, протон, нейтрон?

3. Объясните, почему у многих элементов при одном и том же заряде ядра атома могут быть разные массовые числа. Почему у ряда элементов, например у хлора, нецелочисленные атомные массы?

4. Дайте характеристику квантовым числам. Почему в атоме не могут быть два электрона с одинаковыми квантовыми числами? Принцип Паули.

5. Изобразите электронно-структурные формулы атомов углерода, азота и кислорода. Подсчитайте суммы спиновых квантовых чисел электронов в этих атомах. Как изменяются эти суммы при нарушении правила Хунда.

6. Напишите электронную и электронно-структурную формулу атома бора. Какую дополнительную информацию содержит электронно-структурная формула по сравнению с электронной.

7. Правило Клечковского. Какой энергетический уровень и подуровень заполняется вперед 4S или 3d, 5S или 4p, 4f или 6p?

8. Опишите форму орбитали, характеризующейся квантовыми числами: а) n=3, 1=0, m=0; б) n=3, 1=1, m=0+1-1; в) n=3, 1=2, m=0+1-1+2-2. Приведите символы орбиталей.

9. Охарактеризуйте набором квантовых чисел каждую из следующих орбиталей: 1S, 2p, 3d.

10. Какова максимальная емкость электронных слоев К, М, L, N?