10. Эмиссионный и атомно-абсорбционный спектральный анализ загрязнения почв

Атомно-эмиссионным спектральным анализом называется метод определения химического состава, основанный на изуче­нии атомных спектров вещества, возбуждаемых в горячих ис­точниках света.

Спектр — это излучение, разложенное по длинам волн, заключает в себе информацию о качественном и количе­ственном составах анализируемого объекта.

Каждому виду атомов (элементу) присущ строго определенный, характерный спектр.

По характерным линиям в спектрах атомов можно иденти­фицировать элементы, содержащиеся в анализируемом образце (качественный спектральный анализ), а по относительным интенсивностям спектральных линий можно определять концен­трации элементов в исследуемом образце (количественный анализ).

Принципиальная схема эмиссионного спектрального анализа сводится к следую­щему:

а) перевод вещества в парообразное состояние;

б) воз­буждение атомов и ионов;

в) разложение испускаемого ато­мами света в спектр;

д) регистрация и расшифровка получен­ных спектров.

Возникновение эмиссионных спектров. При нагревании твердых и жидких веществ >600 °С наблюдается излучение красного свечения (красное каление). При температурах > 1000 °С вещества излучают белый свет (белое каление). Ха­рактер свечения веществ не зависит от химического состава. Излучение представляет сплошной спектр, отдельные линии сливаются друг с другом.

Линейчатые спектры, характерные для отдельных элементов, можно наблю­дать только в том случае, когда проба атомизирована, т.е. находится в паро- или газообразном состоянии. Различия спектров является следствием того, что атомы каждого эле­мента имеют характерное, только им присущее электронное строение.

Атомы всех элементов могут находиться в нормаль­ном (основном) и возбужденном состоянии.

В нормальном со­стоянии атомы обладают минимальной энергией Ео, и при этом они света не излучают. Но они могут перейти в возбужденное состояние вследствие различных причин. Например, при теп­ловом движении вследствие сильного неупругого соударения с другими атомами или в результате бомбардировки потоком движу­щихся с определенной энергией частиц-электронов.

Энергия, необходимая для возбуждения атома, называется потенциалом возбуждения. Ее величина зависит от заряда ядра, строения электронных оболочек атома и является функцией положения элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

К числу трудновозбудимых элементов от­носятся инертные газы, азот, кислород, водород. К числу легковозбудимых - металлы: натрий, калий, магний и др.

Если атому сооб­щить достаточно большую энергию, то можно полностью уда­лить электрон из атома, атом при этом ионизируется. Наимень­шая энергия, необходимая для ионизации атома, называется потенциалом ионизации. Возбужденное состояние атомов не­устойчиво, в этом состоянии атом находится короткое время (~10~8 с) и возвращается в нормальное состояние. При переходе атома из возбужденного со­стояния в нормальное высвобожда­ется избыток энергии в виде кванта света.

Атомно-абсорбционным спктральный анализом называется метод количественного элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции). Через слой атомных паров пробы, получаемых с помощью атомизатора, пропускают излучение в диапазоне 190-850 нм. В результате поглощения квантов света атомы переходят в возбужденные энергетические состояния. Этим переходам в атомных спектрах соответствуют так называемые резонансные линии, характерные для данного элемента.

Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, мерой концентрации элемента служит оптическая плотность (А)

A = lg(I₀/I)

где I₀ и I-интенсивности излучения от источника соответственно до и после прохождения через поглощающий слой.

Рис. 1. Принципиальная схема пламенного атомно-абсорбционного спектрометра:

1-источник излучения; 2-пламя; 3-монохроматор; 4-фотоумножитель;

5-регистрирующий или показывающий прибор.

Перевод анализируемого объекта в атомизированное состояние и формирование поглощающего слоя пара определенной и воспроизводимой формы осуществляется в атомизаторе-обычно в пламени или трубчатой печи.

Наиболее часто используют пламя смесей ацетилена с воздухом (t_max= 2000°С) и ацетилена с N₂O (2700°С).

Горелку со щелевидным соплом длиной 50-100 мм и шириной 0,5-0,8 мм устанавливают вдоль оптической оси прибора для увеличения длины поглощающего слоя.

Атомно-абсорбционные спектрометры (ААС) предназначены для проведения количественного элементного анализа (до 70 элементов) по атомным спектрам поглощения, в первую очередь для определения содержания металлов в растворах их солей: в природных и сточных водах, в растворах-минерализатах консистентных продуктов, технологических и прочих растворах.

Основные области применения атомно-абсорбционных спектрометров (ААС) — контроль объектов окружающей среды (воды, воздуха, почв), анализ пищевых продуктов и сырья для их изготовления, медицина, геология, металлургия, химическая промышленность, научные исследования.

Рис. 2. Атомно-абсорбционный спектрометр

Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.