Изучение дисциплины требует от студента специальных знаний, полученных при изучении курсов общей и неорганической химии, аналитической химии, физической химии, атомной спектроскопии, физических методов анализа.
Цель курса: теоретически и практически освоить методы количественного пламенно-фотометрического и атомно-абсорбционного спектрального анализа с различной техникой атомизации проб, что позволяет выполнять элементный анализ в технологии материалов новой техники.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
2.1. Междисциплинарные связи с обеспечивающими (предыдущими) дисциплинами
Дисциплины «Физика», «Общая и неорганическая химия», «Аналитическая химия», «Физическая химия», «Атомная спектроскопия», «Физико-химические методы исследования и анализа», «Физические методы анализа» обеспечивают знание основных типов элементарных процессов, лежащих в основе атомно-абсорбционного и пламенно-фотометрического спектрального анализа.
Дисциплины «Аналитическая химия», «Метрологическое обеспечение аналитического контроля» обеспечивают знание основ аналитической химии элементов, проведения количественного элементного анализа и оценки его метрологических характеристик.
2.2. Междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
Освоение дисциплин «Технический анализ», «УИРС», «Спецпрактикум» проводится только с использованием физико-химических методов анализа, обеспечивающих высокую экспрессность, чувствительность, селективность и правильность анализа.
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать:
Теоретические основы методов пламенной фотометрии и атомно-абсорбционного спектрального анализа с различными техниками атомизации элементов, программное обеспечение современных приборов атомно-абсорбционного анализа.
Уметь:
Готовить образцы сравнения для различных техник атомизации, подготавливать спектрометры к работе, выполнять градуировку приборов, проводить количественное определение элементов, оценивать метрологические характеристики анализа.
Владеть:
Практическими навыками работы на современных атомно-абсорбционных приборах с различной техникой атомизации элементов.
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Виды учебной работы по дисциплине и формы итогового контроля знаний, соответствующие данной образовательной программе, с разбивкой объема работы по часам и семестрам для существующих форм обучения приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1 – Трудоемкость дисциплины в академических часах
Виды учебной работы, формы контроля | Всего, час | Учебные семестры |
10 | ||
Общая трудоемкость по учебному плану | 51 | 51 |
Аудиторные занятия | 17 | 17 |
лекции | - | - |
практические занятии (ПЗ) | - | - |
семинары (С) | - | - |
17 | 17 | |
Самостоятельная работа студентов (СРС) | 34 | 34 |
кол-во контрольных мероприятий | - | - |
объем в часах | - | - |
Курсовой проект (КП) | - | - |
Курсовая работа (КР) | - | - |
Расчетно-графическая работа (РГР) | - | - |
Расчетная работа (РР) | - | - |
Графическая работа (ГР) | - | - |
Домашняя работа (ДР) | - | - |
Реферат | - | - |
Коллоквиум | - | - |
Контрольная работа | - | - |
Подготовка к ауд. занятиям | - | - |
Вид промежуточного контроля | - | - |
Зачет (З) | 1 | 1 |
Экзамен (Э) | - | - |
Зачет дифференц. (ЗД) | - | - |
Трудоемкость в зачетных единицах |
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Содержание разделов дисциплины
5.1.1. Введение
Основные аналитические характеристики методов пламенной фотометрии и атомно-абсорбционного анализа. Возможности. Достоинства и недостатки методов.
5.1.2. Основные принципы атомно-абсорбционной спектрометрии.
Общая схема аналитического процесса. Поглощение и излучение энергии свободными атомами. Измерение поглощения света атомами.
5.1.3. Принципиальные схемы измерений.
Одно - и двухлучевые схемы измерений. Многоканальные схемы.
5.1.4. Источники света
Лампы с полым катодом, безэлектродные лампы, лампы с непрерывным спектром.
5.1.5. Пламенная атомизация элементов
Пламенна, горелки, распылители и распылительные системы. Физико-химические процессы в пламенах. Влияния и помехи
5.1.6. Атомизация способом холодного пара.
Основные приемы измерения. Оптимизация анализа.
5.1.7. Атомизация гидридов
Пламенная и термическая атомизация. Оптимизация анализа.
5.1.8. Электротермическая атомизация элементов.
Основные принципы. Графитовая печь и процедура работы с ней. Физико-химические процессы в электротермических атомизаторах. Влияние и помехи.
5.1.9. Техника и методология работы.
Подготовка спектрометров к работе. Получение градуировочных характеристик. Подготовка проб.
Разработка методик анализа.
5.1.10. Пламенная фотометрия.
Общая схема аналитического процесса. Спектры эмиссии. Аппаратура пламенной фотометрии. Применение пламенной фотометрии.
5.1.11. Заключение.
5.2. Разделы дисциплины и виды занятий
Перечень разделов дисциплины с указанием трудоекости их освоения в академических часах, видов учебной работы с учетом существующих форм освоения приведен в табл. 5.1.
Таблица 5.1 - Перечень разделов дисциплины с указанием трудоемкости их освоения
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции, час | ПЗ, час | СРС, час | ЛР, час |
5.1.1 | Введение | 1 | |||
5.1.2 | Основные принципы атомно-абсорбционной спектрометрии | 3 | |||
5.1.3 | Принципиальные схемы измерений | 2 | |||
5.1.4 | Источники света | 1 | |||
5.1.5 | Пламенная атомизация элементов | 5 | 2 | ||
5.1.6 | Атомизация способом холодного пара | 2 | 1 | ||
5.1.7 | Атомизация гидридов | 3 | 1 | ||
5.1.8 | Электротермическая атомизация элементов | 8 | 4 | ||
5.1.9 | Техника и методология работы | 6 | |||
5.1.10 | Пламенная фотометрия | 8 | 3 | ||
5.1.11 | Заключение | 1 |
6. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
6.1. Лабораторные занятия
Студентам выдаются темы индивидуальных самостоятельных и лабораторных занятий, предусматривающих теоретическое и практическое освоение двух методов физико-химического анализа.
Типовая тема такого задания содержит следующие обязательные разделы:
1. Изучить теоретически метод атомно-абсорбционной спектрометрии;
2. Освоить технику работы на атомно-абсорбционном спектрометре AAnalyst 800 c использованием техники пламенной атомизации (на примере – указан элемент), гидридов (указан элемент), холодного пара (Hg), электротермической атомизации (указан элемент): настройка прибора, условия и программы атомизации, определение характеристической концентрации, получение градуировочной зависимости, способ добавок, определение состава неизвестной пробы, действие химических модификаторов;
3. Изучить теоретически метод пламенной фотометрии;
4. Освоить технику работы на атомно-абсорбционном спектрометре AAnalyst 800 в режиме пламенной фотометрии на примере (указан элемент): настройка прибора, условия и программа измерения, получение градуировочной зависимости, способ добавок, определение состава неизвестной пробы;
5. Подготовить отчет о выполнении лабораторной работы;
7. ТЕМАТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Отсутствует
8.1. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
8.1.1. Основная литература
1. Пупышев курс атомно-абсорбционного анализа. Курс лекций. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. 441 с.
2. Пупышев -абсорбционный спектральный анализ. М.: Техносфера, 2009. 784 с.
3. , , Большаков -абсорбционный анализ: Учебное пособие. С.-Пб.: Лань, 2011. 304 с.
4. Пупышев и электротермический атомно-абсорбционный анализ с использованием спектрометра AAnalyst 800. Учебное электронное текстовое издание. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2008. 101 с. Электронный ресурс: http://study. ustu. ru/view/aid_view. aspx? AidId=7360
8.2. Программное обеспение
OC Windows, WinLab 32 for AAA.
8.3. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Не требуется
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
9.1. Общие требовании
Специализированная лаборатория атомно-абсорбционного анализа и пламенной фотометрии ФТ-329.
Атомно-абсорбционные спектрометры AAnalyst 800, AAnalyst 400.
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
10.1. Рекомендации для преподавателя
Возможно использование других типов атомно-абсорбционных спектрометров при проведении лабораторных занятий в других организациях и учреждениях.
10.2. Рекомендации для студента
Возможно применение других типов атомно-абсорбционных спектрометров при проведении лабораторных занятий в других организациях и учреждениях.
10.3. Перечень контрольных вопросов для подготовки к итоговой аттестации по дисциплине:
I. Основы метода
Принцип атомно-абсорбционной спектрометрии. Почему метод атомно-абсорбционной спектрометрией обладает очень высокой селективностью измерений? Какие процессы приводят к возбуждению атомов? Что такое контур спектральной линии? Какие основные процессы определяют ширину контура спектральной линии? Сформулируйте два условия А. Уолша. Математическая и графическая зависимость сигнала атомного поглощения от концентрации определяемого элемента? Почему метод атомно-абсорбционной спектрометрии используют для определения щелочных элементов реже, чем эмиссионную пламенную фотометрию? Какие элементы можно определять методом атомно-абсорбционной спектрометрии? Можно ли с использованием атомно-абсорбционной спектрометрии определять S, N, Cl, C? Является ли метод атомно-абсорбционной спектрометрии удобным для качественного элементного анализа и почему?II. Схемы измерений
Достоинства и недостатки однолучевой схемы переменного тока? Роль модулятора в схемах измерений? Достоинства и недостатки двулучевой схемы переменного тока? Возможные схемы одновременного многоэлементного анализа?III. Источники света
Принцип работы лампы с полым катодом. Ее основные достоинства и недостатки. Как меняется положение градуировочных графиков при увеличении разрядного тока лампы с полым катодом? Роль источников со сплошным спектром в атомно-абсорбционном анализе? Принцип работы высокочастотных безэлектродных ламп. Их основные достоинства и недостатки.IV. Пламенная атомизация
Какие основные пламена используют в атомно-абсорбционной спектрометрии и их основные характеристики? Какие физические зоны можно выделить в ламинарных пламенах? Достоинства и недостатки применения многощелевых горелок? Принципы работы пневматических распылителей и их характеристики? Роль импактора и спойлера в пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии? Какими основными показателями характеризуют распылительные системы? Какие помехи наблюдаются в конденсированной фазе при испарении частиц аэрозоля? Почему в пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии используют горелки с длинной щелью? Почему пламенная атомно-абсорбционная спектрометрия имеет меньшую чувствительность определения элементов, чем электротермическая? Перечислите основные процессы, ведущие к формированию аналитического сигнала в пламенном атомно-абсорбционном методе? Перечислите недостатки, ограничивающие применение пламенного метода атомизации элементов при определении их низких содержаний в объектах анализа.V. Техника холодного пара
Расскажите принцип метода «холодного пара». Какие параметры необходимо оптимизировать при реализации метода «холодного пара». Какие металлы мешают определению ртути методом «холодного пара»?VI. Техника гидридов
VII. Электротермическая атомизация
Приведите графики распределения температур в графитовых печах продольного и поперечного нагрева. Опишите различные стадии температурно-временной программы атомизации. Как получить экспериментально кривые пиролиза и атомизации элементов. Запишите основные химические процессы, протекающие при атомизации элементов в графитовых трубчатых печах. Какие основные химические процессы лежат в основе действия химических модификаторов различного типа? Почему при остановке продувки инертного газа на стадии атомизации в электротермическом атомизаторе чувствительность определений возрастает? Какие вещества могут быть использованы в качестве химических модификаторов? Почему атомизация элементов с платформы способствует снижению фонового сигнала поглощения света? В чем заключается концепция температурно-стабилизированной печи с платформой?XIV. Техника работы
По каким причинам происходит смещение градуировочных графиков? Перечислите основные способы количественного анализа методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Преимущества и ограничения способа стандартных добавок? Почему состав образцов сравнения в атомно-абсорбционном анализе должен быть максимально приближен к составу анализируемых проб? С какой целью при атомно-абсорбционном определении примесей в алюминиевых сплавах в градуировочные растворы вводят фоновый раствор алюминия?XVI. Пламенная фотометрия
Как настраивается спектрометр для пламенного атомно-эмиссионного анализа? Природная вода обычно содержит большое количество солей натрия. Предложите наиболее рациональный метод определения натрия в воде. Перечислите возможные способы снижения предела обнаружения элементов электротермической атомно-абсорбционной спектрометрией. Какими приемами устраняются причины систематических погрешностей, специфичных для атомно-абсорбционного анализа?Задачи
Рассчитайте характеристические концентрации при пламенном атомно-абсорбционном определении элементов, используя следующие данные:Элемент | Концентрация | Измеренное значение абсорбции, Б |
Ni | 10 мкг/мл | 0.282 |
Ag | 0.0185 моль/л | 0.151 |
Элемент | Концентрация | Дозировка, мкл | Измеренное значение абсорбции, Б∙с |
Tl | 3.75∙10-6 г/л | 20 | 0.110 |
Sn | 5.0∙10-6 мкг/мл | 10 | 0.150 |
Для определения примеси натрия в образце методом атомно-абсорбционной спектрометрии навеску образца 1.0000 г растворили и объем довели в мерной колбе до 100.0 мл. По градуировочному графику нашли содержание натрия в растворе – 11.3 мг/л. Рассчитайте массовую долю натрия в образце. Два образца нефти (стандартный и исследуемый), массой по 1.000 г разбавили метилизобутилкетоном и распылили в пламя атомно-абсорбционного спектрометра. Абсорбционность ванадия для стандартного образца с содержанием ванадия 0.01 % масс. составила А = 0.740 Б, а для образца с неизвестным содержанием - 0.520. Рассчитайте массовую долю ванадия в исследуемом образце нефти. Альдегиды можно определять косвенной атомно-абсорбционной спектрометрией по реакции окисления ионами серебра с образованием двух молей металлического серебра на каждый моль альдегида. Серебро затем растворяют в азотной кислоте и определяют атомно-абсорбционной спектрометрией. Интервал определяемых концентраций серебра составляет 2-20 мкг/мл. Определите соответствующий ему интервал количеств альдегида ( в микромолях) при условии, что объем пробы составляет 10 мл. Массовая доля железа в алюминиевом сплаве варьирует в пределах 0.1-0.5 % масс. Какую навеску сплава следует взять для атомно-абсорбционного определения железа, если характеристическая концентрация для железа составляет 10 мкг/мл? Конечный объем раствора для анализа составляет 50 мл. Для определения молибдена навеску стали 0.2000 г растворили по ГОСТ и объем довели в мерной колбе вместимостью 100.0 мл. При атомно-абсорбционном определении для этого раствора получена абсорбционность молибдена А = 0.250 Б. Градуировочная функция при этом имеет вид А = 0.020 + 99.8х, где х – концентрация молибдена, мг/мл. Рассчитайте массовую долю молибдена в стали. Опишите приготовление градуировочных растворов для атомно-абсорбционного определения железа в цветном сплаве при его массовой доле 0.1-1.0 % масс., если стандартный раствор железа имеет концентрацию 1.0043 мг/мл, навеска исследуемого сплава – 0.2000 г, мерные колбы вместимостью 100.0 мл. Рассчитайте массу добавки для проверки правильности результатов атомно-абсорбционного определения магния в баббите БК-2. Масса пробы – 0.5000 г, объем измеряемого раствора – 50.0 мл, содержание магния в сплаве – 0.025 % масс. При поверке атомно-абсорбционного спектрометра были проведены через небольшой промежуток времени две сери измерений стандартного раствора меди и получены следующие значения абсорбции
Текущие измерения | ||||||||||
1 серия | 0.242 | 0.244 | 0.238 | 0.232 | 0.240 | 0.246 | 0.246 | 0.240 | 0.230 | 0.242 |
2 серия | 0.244 | 0.246 | 0.250 | 0.241 | 0.240 | 0.252 | 0.254 | 0.248 | 0.240 | 0.246 |
Оцените погрешность измерения сигнала. Является ли разница результатов двух серий измерений статистически значимой?
При атомно-абсорбционном определении массовой доли натрия в стандартном образце баббита кальциевого БК-2 с аттестованным содержанием натрия 0.200 ± 0.007 % масс. Були получены следующие результаты, % масс.: 0.195, 0.199, 0.206, 0.204. Содержит ли методика анализа систематическую погрешность? При электротермическом атомно-абсорбционном определении кадмия в шахтной воде (Х) способом добавок были получены следующие данныеС, мкг/л | Х | Х + 1.0 | Х + 3.0 | Х + 5.0 |
А, Б | 0.025 | 0.075 | 0.18 | 0.29 |
Вычислите концентрацию кадмия в шахтной воде.
При атомно-абсорбционном определении железа в растворе способом ограничивающих растворов были приготовлены два градуировочных раствора с концентрацией железа 9 и 14 мкг/мл, для которых значения абсорбционного сигнала составили 0.14 и 0.23 Б, соответственно. Определите концентрацию железа в исследуемом растворе, если измеренное значение абсорбции железа для него составило 0.15 Б.10.4. Перечень ключевых слов дисциплины
Таблица 10.4-Ключевые слова
№ раздела | № модуля | Наименование раздела | Ключевые слова раздела |
5.1.2 | Основные принципы атомно-абсорбционной спектрометрии | Атомное поглощение, абсорбция, эмиссия, энергетически уровни, квантовые переходы, характеристическая концентрация и масса, контур спектральной линии, правила Уолша | |
5.1.3 | Принципиальные схемы измерений | Блок-схема, селективный источник света, модулятор, атомизатор, монохроматор, фотоприемник, однолучевая схем, двухлучевая схема, многоканальная схема | |
5.1.4 | Источники света | Полый котод, высокочастотная безэлектродная лампа | |
5.1.5 | Пламенная атомизация элементов | Пламя, горючая смесь, стехиометрия пламени, температуру, аэрозоль, распылитель, распылительная камера, горелка, помехи и влияния | |
5.1.6 | Атомизация способом холодного пара | Ртуть, атомизация холодным паром, хлорид олова | |
5.1.7 | Атомизация гидридов | Гидриды, боргидрид натрия, образование и атомизация гидридов | |
5.1.8 | Электротермическая атомизация элементов | Грфитовая печь, электротермическая атомизация, стадии высушивания, пиролиза, атомизации и очистки, температурно-временная программа, фоновое поглощение света, влияние и помехи | |
5.1.9 | Техника и методология работы | Образцы сравнения и стандарты, градуировка, подготовка проб, количественный анализ, погрешности определения | |
5.1.10 | Эмиссионная фотометрия пламени | Возбуждение и эмиссия атомов, пламена, пламенные фотометры, количественный элементный анализ |
