Рентгеноструктурный анализ

Содержание

Введение……………………………………………………………………. ……..2

1. Рентгеноструктурный анализ…………………………………………….4
2. Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) ………………………………..5
3. Спектральный анализ…………………………………………………….7
4. Инфракрасная спектроскопия……………………………………………10
5. Термический анализ……………………………………………………..12
6. Химические методы анализа…………………………………………….15

Заключение………………………………………………………………………18

Задачи……………………………………………………………………………19

Список используемой литературы…………………………………………….23

Введение

Физико-химическими называют методы количественного анализа, основанные на измерении физико-химических и физических свойств данного вещества. Их вместе с физическими методами анализа называют инструментальными, т.к. они требуют применения приборов и измерительных устройств.

В основе физико-химических методов количественного анализа  лежит химическая реакция или физико-химический процесс.

Характерная особенность  физических методов заключается  в том, что в них измеряют физические параметры без предварительного проведения химической реакции.

Все аналитические методы имеют много общего: состав вещества, его строение и количество определяется по его свойствам. Свойства вещества фиксируются при помощи приборов.

Основной задачей прибора  является перевод химической информации в форму, удобную для наблюдения оператором, что осуществляется при  помощи преобразователя. Здесь электрический  сигнал усиливается и передаётся на считывающее устройство.

Выбор наилучшего метода анализа  диктуется многими соображениями  и представляет трудную задачу. Критериями для оценки и выбора методов анализа  служат их метрологические характеристики:

- повторяемость, r;

- критический диапазон, CR_(0,95);

- внутрилабораторная промежуточная  прецизионность, R_л

- воспроизводимость, R; 

- предел обнаружения (чувствительность)

- верхняя и нижняя границы определяемых содержаний

Революция в инструментальных методах произошла в 30-е годы ХХ века. Это связано с бурным развитием  электроники в то время. 

1 Рентгеноструктурный анализ

Рентгеноструктурный анализ - это метод исследования строения тел, использующий явление дифракции рентгеновских лучей, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны порядка размеров атома.

Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых  кислот и т.д. Рентгеноструктурный  анализ является основным методом определения  структуры кристаллов.

При исследовании кристаллов он даёт наибольшую информацию. Это  обусловлено тем, что кристаллы  обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданною  самой природой дифракционную решётку  для рентгеновских лучей. Однако он доставляет ценные сведения и при  исследовании тел с менее упорядоченной  структурой, таких, как жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы, полимеры и  другие. На основе многочисленных уже  расшифрованных атомных структур может  быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного  грунта, может быть установлен кристаллический  состав этого вещества, то есть выполнен фазовый анализ.

Рентгеноструктурный анализ позволяет объективно устанавливать  структуру кристаллических веществ, в том числе таких сложных, как витамины, антибиотики, координационные  соединения и т.д. Полное структурное  исследование кристалла часто позволяет  решить и чисто химические задачи, например установление или уточнение химической формулы, типа связи, молекулярного веса при известной плотности или плотности при известном молекулярном весе, симметрии и конфигурации молекул и молекулярных ионов.

Рентгеноструктурный анализ с успехом применяется для  изучения кристаллического состояния  полимеров. Ценные сведения даёт рентгеноструктурный  анализ и при исследовании аморфных и жидких тел. Рентгенограммы таких  тел содержат несколько размытых дифракционных колец, интенсивность  которых быстро падает с увеличением. По ширине, форме и интенсивности  этих колец можно делать заключения об особенностях ближнего порядка в  той или иной конкретной жидкой или  аморфной структуре.  

2. Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА)

Один из современных спектроскопических методов исследования вещества с  целью получения его элементного  состава, т.е. его элементного анализа. Метод РФА основан на сборе  и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия  на исследуемый материал рентгеновским  излучением. При облучении атом переходит  в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом электронов на более высокие  квантовые уровни. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное  положение (основное состояние). При  этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные  места, а излишек энергии испускается  в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних  оболочек (оже-электрон). При этом каждый атом испускает фотоэлектрон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны Кα= 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии  и количеству квантов судят о  строении вещества.

В рентгено-флуоресцентной спектрометрии имеются возможности  провести детальное сравнение образцов не только по характеристическим спектрам элементов, но и по интенсивности  фонового (тормозного) излучения и  по форме полос Комптоновского рассеяния. Это приобретает особый смысл  в случае, когда химический состав двух проб одинаков по результатам  количественного анализа, но пробы  отличаются другими свойствами, такими, как зернистость, размер кристаллитов, шероховатость поверхности, пористость, влажность, присутствие кристаллизационной воды, качество полировки, толщина напыления  и пр. Идентификация выполняется  на основании детального сопоставления  спектров. При этом нет необходимости  знать химический состав пробы. Любое  отличие сравниваемых спектров неопровержимо  свидетельствует об отличии исследуемого образца от эталона.

Рентгено-флюороресцентный микроанализатор VRA-30 (Германия) Диапазон: от 14 до урановых элементов

Данный вид анализа  проводится при необходимости отождествления состава и некоторых физических свойств двух образцов, один из которых  является эталонным. Такой вид анализа  важен при поиске любых отличий  в составе двух образцов. Область  применения: определение тяжелых  металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях, качественный и количественный анализ почв, минералов, горных пород, контроль качества сырья, производственного  процесса и готовой продукции, анализ свинцовых красок, измерение концентраций ценных металлов, определение загрязнений  нефти и топлива, определение  токсичных металлов в пищевых  ингредиентах, анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах, элементный анализ, датирование  археологических находок, изучение картин, скульптур, для проведения анализа  и экспертиз.

Обычно подготовка образцов ко всем видам рентгено-флуоресцентнному анализа не представляет сложностей. Для проведения высоконадежного количественного анализа образец должен быть однородным и представительным, иметь массу и размер не менее требуемого методикой анализа. Металлы шлифуются, порошки измельчаются до частиц заданного размера и прессуются в таблетки. Горные породы сплавляются до стеклообразного состояния (это надежно избавляет от погрешностей, связанных с неоднородностью образца). Жидкости и сыпучие вещества просто помещаются в специальные чашки.

3. Спектральный анализ

Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного  определения атомного и молекулярного  состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Физическая основа С. а. — спектроскопия атомов и молекул, его классифицируют по целям анализа  и типам спектров (см. Спектры  оптические). Атомный С. а. (АСА) определяет элементный состав образца по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения, молекулярный С. а. (МСА) — молекулярный состав веществ по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции и комбинационного  рассеяния света. Эмиссионный С. а. производят по спектрам испускания атомов, ионов и молекул, возбуждённым различными источниками электромагнитного  излучения в диапазоне от α-излучения  до микроволнового. Абсорбционный С. а. осуществляют по спектрам поглощения электромагнитного излучения анализируемыми объектами (атомами, молекулами, ионами вещества, находящегося в различных  агрегатных состояниях). Атомный спектральный анализ (АСА), эмиссионный АСА состоит из следующих основных процессов:

отбор представительной пробы, отражающей средний состав анализируемого материала или местное распределение  определяемых элементов в материале;

введение пробы в источник излучения, в котором происходят испарение твёрдых и жидких проб, диссоциация соединений и возбуждение  атомов и ионов;

преобразование их свечения в спектр и его регистрация (либо визуальное наблюдение) с помощью  спектрального прибора;

расшифровка полученных спектров с помощью таблиц и атласов  спектральных линий элементов.

На этой стадии заканчивается  качественный АСА. Наиболее результативно  использование чувствительных (т. н. «последних») линий, сохраняющихся  в спектре при минимальной  концентрации определяемого элемента. Спектрограммы просматривают на измерительных микроскопах, компараторах, спектропроекторах. Для качественного  анализа достаточно установить наличие  или отсутствие аналитических линий  определяемых элементов. По яркости  линий при визуальном просмотре  можно дать грубую оценку содержания тех или иных элементов в пробе.

  Количественный АСА  осуществляют сравнением интенсивностей  двух спектральных линий в  спектре пробы, одна из которых  принадлежит определяемому элементу, а другая (линия сравнения) —  основному элементу пробы, концентрация  которого известна, или специально  вводимому в известной концентрации  элементу («внутреннему стандарту»).

Атомно-абсорбционный С. а. (ААА) и атомно-флуоресцентный С. а. (АФА). В этих методах пробу превращают в пар в атомизаторе (пламени, графитовой трубке, плазме стабилизированного ВЧ- или СВЧ-разряда). В ААА свет от источника дискретного излучения, проходя через этот пар, ослабляется  и по степени ослабления интенсивностей линий определяемого элемента судят  о концентрации его в пробе. ААА  проводят на специальных спектрофотометрах. Методика проведения ААА по сравнению  с др. методами значительно проще, для него характерна высокая точность определения не только малых, но и больших концентраций элементов в пробах. ААА с успехом заменяет трудоёмкие и длительные химические методы анализа, не уступая им в точности.

 В АФА атомные пары  пробы облучают светом источника  резонансного излучения и регистрируют  флуоресценцию определяемого элемента. Для некоторых элементов (Zn, Cd, Hg и др.) относительные пределы  их обнаружения этим методом  весьма малы (10-5—10-6 %).

Атомно-абсорбционный автоматизированный спектрофотометр AAS-3 (Германия) с пламенной атомизацией АСА позволяет проводить измерения изотопного состава. Некоторые элементы имеют спектральные линии с хорошо разрешенной структурой (например, Н, Не, U). Изотопный состав этих элементов можно измерять на обычных спектральных приборах с помощью источников света, дающих тонкие спектральные линии (полый катод, безэлектродные ВЧ- и СВЧ-лампы). Для проведения изотопного спектрального анализа большинства элементов требуются приборы высокой разрешающей способности (например, эталон Фабри — Перо). Изотопный спектральный анализ можно также проводить по электронно-колебательным спектрам молекул, измеряя изотопные сдвиги полос, достигающие в ряде случаев значительной величины.

Значительную роль АСА  играет в атомной технике, производстве чистых полупроводниковых материалов, сверхпроводников и т. д. Методами АСА  выполняется более 3/4 всех анализов в металлургии. С помощью квантометров проводят оперативный (в течение 2—3 мин) контроль в ходе плавки в мартеновском и конвертерном производствах. В  геологии и геологической разведке для оценки месторождений производят около 8 млн. анализов в год. АСА применяется  для охраны окружающей среды и  анализа почв, в криминалистике и  медицине, геологии морского дна и  исследовании состава верхних слоев  атмосферы, при разделении изотопов и определении возраста и состава  геологических и археологических  объектов и т. д.