40387

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ В СТАЛИ МЕТОДОМ ЭМИССИОННОГО АТОМНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Лабораторная работа

Химия и фармакология

Изучить основы метода определения химического состава сплавов методом эмиссионного спектрального анализа. Провести качественный и полуколичественный анализ легированных сталей по элементам Cr, Mn, Ni с помощью стилоскопа СЛП-1

Русский

2014-03-31

47.72 KB

21 чел.

Лабораторная работа № 51

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ В СТАЛИ

МЕТОДОМ ЭМИССИОННОГО АТОМНОГО

СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Цель работы:

1. Изучить основы метода определения химического состава сплавов методом эмиссионного спектрального анализа.

2. Провести качественный и полуколичественный анализ легированных сталей по элементам Cr, Mn, Ni с помощью стилоскопа СЛП-1.

Теоретическое введение

Одним из  современных физических методов анализа химического состава вещества является спектральный анализ, основанный на изучении оптических спектров вещества. Каждому элементу присущ свой индивидуальный спектр,  т.е. определенный набор частот электромагнитных волн, испускаемых нагретым веществом (эмиссионный спектр) или поглощаемых при прохождении излучения через вещество (абсорбционный спектр). Спектры излучения  твердых  и жидких тел являются непрерывными; они зависят в основном от температуры и мало зависят от химического состава тел и поэтому их нельзя использовать для анализа состава вещества. Спектры же излучения газов и паров имеют линейчатый характер и являются однозначной характеристикой состава вещества. Поэтому при эмиссионном анализе пробы твердого вещества ее необходимо испарить в высокотемпературном пламени или в электрическом разряде какого-либо типа (дуга, искра). Этот метод пригоден в основном для атомарного анализа, т.к. молекулы большинства веществ распадаются под действием высокой температуры.

Переход атомов в возбужденное состояние происходит при их соударениях за счет кинетической энергии хаотического теплового движения. Возбужденный атом через некоторое время самопроизвольно возвращается в основное состояние, испуская избыточную энергию в виде кванта электромагнитного излучения частотой

где h - постоянная Планка; h = 6,63·10-34  Дж·с,  

     Еn - энергия атома в возбужденном состоянии,

    Еm - энергия атома в основном состоянии.

По законам квантовой механики атомы одного и того же вещества имеют одинаковые наборы разрешенных энергетических состояний, при переходе между которыми излучаются кванты определенной частоты. Совокупность большого числа фотонов одинаковой частоты образует определенную линию в спектре излучения.

Спектр легированной стали, испаренной в дуговом разряде, есть совокупность спектров элементов, составляющих данную пробу. При проведении качественного анализа необходимо определить, какому элементу принадлежит та или иная линия в спектре анализируемой пробы. Для этого нужно найти длину волны линии по ее положению в спектре, а затем с помощью таблиц спектральных линий определить ее принадлежность тому или иному элементу.

Количественный экспресс-анализ содержания примеси в исследуемых сплавах проводится путем сравнения интенсивности специально подобранных пар линий, одна из которых принадлежит основному элементу, другая – принадлежит примеси (так называемые “аналитические пары”). Аналитические пары подбираются по следующим признакам:

- они должны лежать в области максимальной чувствительности глаза (сине-зеленая область спектра);

- линии должны располагаться вблизи друг от друга с тем, чтобы была возможность рассматривать их одновременно;

- линии должны иметь одинаковые или близкие интенсивности, поскольку сравнение интенсивностей производится по принципу “больше”, “равно” или “меньше”.

Так как концентрация основного вещества (элемент сравнения) практически остается всегда постоянной, то относительная интенсивность аналитической пары зависит только от концентрации определяемого элемента. Точность данного метода невысока (15 – 20 %), поэтому метод называют полуколичественным.  

Излучение, подлежащее анализу, раскладывается в спектр и изучается  визуально или регистрируется с помощью спектральных приборов (монохроматоры, спектрометры, спектрофотометры, стилометры и стилоскопы - для визуального наблюдения, спектрографы - для регистрации спектров).  

Спектральный анализ, обладает рядом достоинств: высокие чувствительность и точность, экспрессность и универсальность метода, малые количества вещества, необходимые для анализа. Наиболее широко спектральный анализ используется в металлургической, металлообрабатывающей и машиностроительной промышленности для контроля технологических процессов и анализа готовой продукции.

Описание установки и методики исследований

В данной лабораторной работе используется переносной стилоскоп СЛП-1. Прибор рассчитан на анализ крупногабаритного металла, громоздких агрегатов и машин без их разборки, а также для работы в условиях полевых ремонтно-восстановительных мастерских. Стилоскоп имеет небольшой вес и удобен в обращении. Он работает в комплекте с переносным дуговым генератором. Включение генератора осуществляется с помощью выключателя, смонтированного на рукоятке стилоскопа.

Основные данные стилоскопа СЛП-1:

Диапазон спектра – (3900 – 6700) Å.

Ширина коллиматорной щели – 30 мкм.

Материал диспергирующих призм – стекло ТФ3.

Разрешение в средней области спектра Δ = 0,89 Å.

Частота генератора – 1,5 МГц.

Напряжение генератора – 11,5 кВ.

Ток дуги – 6,5 – 7 А.

Анализируемый объект

Вспомогательный электрод

Дуга

1

2       3   4      5

9        6        7

8       10     11  

Рисунок 1 - Оптическая схема стилоскопа СЛП-1

1,2 – защитные стекла; 3,9 – поворотные призмы; 4 - конденсор; 5 – коллиматорная щель; 6 - объектив; 7,8 – диспергирующие призмы;  10 – щель окуляра; 11 - окуляр.

Оптическая схема стилоскопа приведена на рисунке 1. Свет от дуги, пройдя через защитные стекла 1 и 2, направляется поворотной призмой 3 на осветительную линзу 4, которая концентрирует его на щель 5. Чтобы обеспечить равномерное освещение щели 5, призму 3 можно поворачивать на небольшой угол. По выходе из щели свет падает на объектив 6, который направляет параллельный пучок света на диспергирующие призмы 7 и 8. Большой катет призмы 8 посеребрен; отражаясь от него, свет снова проходит (в обратном направлении) диспергирующие призмы 7 и 8 и объектив 6. Поворотная призма 9 направляет свет через щель 10 в окуляр 11.

При включении генератора между вспомогательным дисковым электродом и образцом загорается дуга или искра. Изменяя расстояние между электродом и образцом, добиваются устойчивости разряда. С помощью поворотной призмы 4 свет разряда направляют на входной коллиматор (конденсор 4 и щель 5), добиваясь хорошей видимости спектра. Ввод нужной области спектра в поле зрения окуляра осуществляется барабаном, который связан с механизмом поворота призмы 7. График зависимости длин волн спектральных линий от отсчета по шкале маховика стилоскопа (дисперсионная кривая) приведен на рисунке 2.

Стилоскоп позволяет очень быстро производить полуколичественный анализ различных сплавов. Продолжительность анализа одного образца на 6 – 7 элементов при достаточных навыках составляет 2 – 3 мин.

Рисунок 2 - Градуировочная кривая стилоскопа

В данной работе ведется анализ сталей различных марок на содержание хрома, никеля и марганца. Аналитические пары линий и соответствующие спектроскопические признаки для определения содержания легирующей примеси приведены в таблице 1. 

Для более легкого распознавания спектральных групп их изображение приведено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Спектральные группы для анализа примеси Cr, Mn, Ni

в стали (медный электрод).

Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений

Исследуется сталь 20ГТЛ с малым содержанием хрома (образцы № 1, 2) и сталь Х18Н9Т с большим содержанием хрома (образцы №3, 4).   

1. Установить образец №1 в держателе образца. Подобрать расстояние между электродами таким образом, чтобы искровой разряд был устойчивым.

2. Настроить поворотную призму 3 (рисунок 1) таким образом, чтобы в окуляре наблюдался спектр.

3. Вращением маховичка найти нужную область спектра (соответствующие деления шкалы маховичка указаны в таблице 1).

Таблица 1 – Аналитические пары линий и их спектральные признаки

Аналитические пары

Спектроскопические

признаки

Элемент

группы,

деления

маховичка

,

Условн.

обознач.

Оценка

интенсивности

Содержание

примеси, %

 Хром

 

Cr1

75,0

Cr       5204,52

          5206,04

          5208,44

    1

    1

    2

    1 = 4

    1 ≤ 3

    1 ≥ 3

     0,05

     0,1

     0,2

Fe      5202,34

          5198,71

    3

    4

Cr7

67,6

Cr       5345,81

          5348,82

    1

    2

    1 = 7

    2 = 7

1 = 6,  2 ≥ 7

1<5, 1≥6, 2=7

    2 = 6

 1 ≥ 8, 2 = 5

  1 = 4, 2 = 8

  1 > 4, 2 ≤ 4

  1 » 4, 2 ≥ 4

      0,3

      0,7

      1,0

      1,5

      2,5

      5,0

    10,0

    20,0

    30,0

Fe       5371,49

          5341,03

          5339,94

          5333,30

          5324,18

    4

    5

    6

    7

    8

Cr4

65,3

Cr       5409,79

    1

    1 = 2

    1 = 3

    1 ≥ 4

     1,0

     2,5

     5,0      

Fe      5410,91

          5415,21

          5405,78

    2

    3

    4

Cr6

92,1

Cr      4922,27

    1     

    1 ≤ 2

    1 = 2

1 >2, 1< 3

    1 = 3

    10,0

    15,0

    20,0

    30,0

Fe       4918,99

          4920,50

    2

    3

Никель

Ni1

110,0

Ni       4714,42

     1

    1 < 4

    1 ≤ 4

    1 = 5

1 > 5, 1< 3

      0,2

      0,5

      1,5

      3,0

Fe       4707,28

          4709,10

          4710,29

     3

     4

     5

Ni2

83,0

Ni       5080,52 

          5081,11

     1

     1

    1 < 2

    1 = 2

    1 > 2

      3,0

    10,0

  15 – 20

Fe      5079,24

         5079,75

     2

     2

Продолжение таблицы 1

Элемент

группы,

деления

маховичка

,

Условн.

обознач.

Оценка

интенсивности

Содержание

примеси, %

Марганец

Mn1

102,0

Mn2

57,0

Mn    4823,52

         4783,42

Fe     4859,75

         4871,32

         4786,81

Mn   5516,77

Fe     5501,47

         5497,52

     1

     5

     2

     3

     6

     1

     2

     4

1 < 2, 5 ≤ 6

1< 2, 5 > 6

    1 = 2

     1 ≤ 2

     1 ≥ 4

   до 0,15   

  0,2 - 0,5

  0,5 - 0,7

      7,0

    14,0

4. Сравнивая интенсивности линий хрома с линиями железа соответствующих аналитических пар (см. табл. 1, столбцы "Спектральные признаки”), определить процентное содержание этих элементов в образце. Данные занести в таблицу 2.

5. Провести аналогичные измерения для образцов с примесями никеля и марганца.

Таблица 2 – Оценка содержания примеси в образцах

№ образца

Элементы

и номера

групп

Деление

шкалы

маховичка

Оценка

интенсив-

ности

Содержание

элемента,

%

1

Cr1

75,0

Cr7

67,6

Cr6

92,1

Ni1

110,0

Ni2

83,0

Mn1

102,0

Mn2

57,0

2

Cr1

75,0

Cr7

67,6

Cr6

92,1

Ni1

110,0

Ni2

83,0

Mn1

102,0

Mn2

57,0

6. Сделать выводы о возможностях качественного и полуколичественного атомного спектрального анализа.

Примечание. В учебных целях очень удобно, настроившись на определенную группу линий, менять образцы с различным содержанием исследуемой примеси. Тогда изменение интенсивности линий примеси от их содержания становится более наглядным.

ВНИМАНИЕ! УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

В данной установке для создания искрового разряда используется высокое напряжение (11,5 кВ). Искровой разряд богат ультрафиолетовым излучением, которое опасно для зрения. В связи с этим недопустимо включение генератора  при поднятой крышке разрядного устройства.

Контрольные вопросы

1. Атомные и молекулярные спектры.

2. Эмиссионный качественный и полуколичественный анализ.

3. Абсорбционный качественный анализ.

4. Оптическая схема стилоскопа.

5. Характерные особенности спектрального анализа.

Список рекомендованной литературы

  1.  Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для  вузов. - 7-е изд., стер. - М.: Высшая школа, 2003.- §§ 209, 212, 231, с. 386 – 393, 427- 428.
  2.  Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов.- 2-е изд., испр. И доп. М.: Высшая школа, 1999.- §§ 38.3, 38.4, с. 532 - 538.
  3.  Грабовский Р.И. Курс физики (для сельскохозяйственных вузов): Учеб. пособие. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 1980. - Часть II,  §§ 46, 63, 64, 65. с. 435 - 437, 506 - 522.
  4.  Физический энциклопедический словарь./ Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. - М.: Сов. энциклопедия, 1984. с. 702 - 711.       
  5.  Кустанович И.М.  Спектральный анализ. М.:Высш. шк., 1962, Введение, §§ 2, 17, с.3-11, 27 - 47, 187 - 188.

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28175. Задача молекулярной физики. Модель физического тела. Основные положения МКТ и их анализ. Модель идеального газа. Статистический и термодинамический способы описания. Основное уравнение МКТ идеального газа 811.5 KB
  Модель идеального газа. Основное уравнение МКТ идеального газа. Отсюда также следует что начинать построение теории следует с газов так как в этом случае выражение 1 имеет в правой части только одно слагаемое Модель газового физического тела получила название модели идеального газа. Уравнение состояния идеального газа уравнение Клапейрона ‒ Менделеева.
28176. Голография. Схема записи и восстановления голограмм. Запись голограмм на толстослойных эмульсиях. Применение голограмм 115 KB
  Схема записи голограммы представлена на рисунке 1. Денисюк осуществил запись голограммы в трехмерной среде объединив таким образом идею Габора с цветной фотографией Липпмана. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в ее плоскости образуется то же распределение амплитуды и фазы которое было у предметной волны чем и обеспечивается восстановление...
28177. Искусственная анизотропия, создаваемая в результате механического деформирования, воздействия электрического (эффекты Керра и Поккельса) и магнитного (эффект Коттона - Мутона) поля. Естественная и искусственная (эффект Фарадея) оптическая активность 51 KB
  Искусственная анизотропия создаваемая в результате механического деформирования воздействия электрического эффекты Керра и Поккельса и магнитного эффект Коттона Мутона поля. Естественная и искусственная эффект Фарадея оптическая активность Среды в которых скорость распространения света в различных направлениях неодинакова называют оптически анизотропными. был открыт эффект Керра возникновение двулучепреломления под действием электрического поля рисунок 2. Явление Керра квадратичный электрооптический эффект объясняется...
28178. Тепловое излучение тел и его законы. Ультрафиолетовая катастрофа. Формула Планка 102 KB
  Отличительной чертой теплового излучения является то что оно возникает за счет внутренней энергии тела. Тепловое излучение имеет сплошной спектр положение максимума в спектральной кривой излучения зависит от температуры. При полном термодинамическом равновесии все части системы имеют одинаковую температуру и энергия теплового излучения испускаемого каждым телом компенсируется энергией поглощаемого этим телом теплового излучения других тел. Спектр равновесного излучения не зависит от природы вещества.
28179. Фотоэффект. Основные законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Внутренний фотоэффект. Фотоэлементы и их применение 87.5 KB
  Фотоэффект. Основные законы внешнего фотоэффекта. Внутренний фотоэффект. Явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием электромагнитного излучения называется внешним фотоэффектом.
28180. Поглощение (абсорбция) света веществом. Закон Бугера. Элементарная квантовая теория излучения и поглощения света. Спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Условие усиления света 165 KB
  Элементарная квантовая теория излучения и поглощения света. Условие усиления света Под действием электромагнитного поля световой волны проходящей через вещество возникают колебания электронов среды с чем связано уменьшение энергии излучения затрачиваемой на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия восполняется в результате излучения электронами вторичных волн частично она может преобразовываться в другие виды энергии. Действительно опытным путем установлено а затем и теоретически доказано Бугéром что интенсивность...
28181. Лазеры. Принципиальная схема лазера. Основные структурные элементы лазера и их назначение. Типы лазеров. Основные характеристики лазеров 181 KB
  Каждому радиационному переходу между энергетическими уровнями и в спектре соответствует спектральная линия характеризующаяся частотой и некоторой энергетической характеристикой излучения испущенного для спектров испускания поглощенного для спектров поглощения или рассеянного для спектров рассеяния атомной системой. При этом распространение излучения в среде обязательно сопровождается уменьшением его интенсивности выполняется закон Бугера где интенсивность излучения вошедшего в вещество d толщина слоя коэффициент...
28182. Оптика движущихся сред. Эффект Доплера. Поперечный и продольный эффект Доплера 194 KB
  Он гласит: все физические законы независимы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчёта. Это означает что уравнения выражающие законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчёта. Поэтому на основе любых физических экспериментов нельзя выбрать из множества инерциальных систем отсчёта какуюто главную абсолютную систему отсчёта обладающую какимилибо качественными отличиями от других инерциальных систем отсчёта. Она одинакова во всех направлениях в пространстве и во всех инерциальных системах...
28183. Поляризация света. Способы получения поляризованного света. Закон Малюса. Поляризационные призмы 238.5 KB
  Явление поляризации света было открыто Эразмусом Бартолинусом, датским учёным, в 1669 году. В своих опытах Бартолинус использовал кристаллы исландского шпата, имеющие форму ромбоэдра. Если на такой кристалл падает узкий пучок света, то, преломляясь