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

14 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

39783. Советский Союз в 1946 – 1953 гг 87 KB
  Победа СССР в Великой Отечественной войне способствовала росту в стране демократических настроений укреплению надежд на либерализацию внутриполитического курса. В первые послевоенные годы происходили некоторые изменения в политической системе СССР. Совнарком СССР был преобразован в Совет Министров СССР что сопровождалось резким увеличением количества министерств и ведомств. Были проведены новые выборы в Верховный совет СССР.
39784. Советский Союз в середине 1950-х – середине 1960-х гг. Период «оттепели» 95.5 KB
  Главой правительства формально стал Маленков который возглавил Совет Министров СССР. Президиум Верховного Совета СССР постановил провести в стране широкую амнистию которая однако не затронула политзаключенных как предлагал первоначально министр внутренних дел. Одновременно началась реорганизация силовых ведомств ограничивались права Особого совещания при МВД ГУЛАГ переходил в ведение Минюста СССР. Маленков выступил на сессии Верховного Совета СССР с предложениями экономических реформ.
39785. Советский Союз в середине 1960-х – середине 1980-х гг. Период «застоя» 83.5 KB
  Брежнев занял пост Председателя Президиума Верховного Совета СССР что значительно увеличило его полномочия как главы государства. провозглашала также и создание в СССР развитого социалистического общества. Согласно новой установке победе коммунизма в СССР должен был предшествовать длительный исторический этап его хронологические рамки не устанавливались который и определялся как период развитого социализма. в СССР происходит фактическая консервация политической системы.
39786. СССР в годы «перестройки» (1985 – 1991 гг.) 76 KB
  Переломным этапом политического развития СССР в годы перестройки стала XIX партийная конференция КПСС проходившая летом 1988 г. На основании решений конференции Верховный Совет СССР принял в декабре 1988 г. закон согласно которому в стране учреждался новый орган высшей власти Съезд народных депутатов СССР из числа которых учреждался постоянно действующий парламент Верховный Совет СССР.
39787. Российская Федерация в 1990-е гг. 75 KB
  Было определено направление дальнейшего политического и социально-экономического развития России. Нижняя плата представлена Государственной Думой РФ куда входят депутаты напрямую избираемые гражданами России. между автономными республиками России был подписан Федеративный договор предусматривающий разделение полномочий между федеральными и республиканскими органами власти.
39788. Советская Россия в годы НЭПа 89 KB
  Лучшим обоснованием необходимости форсированной модернизации стала возможность внешней агрессии против СССР. После того как летом 1927 года СССР и Великобритания разорвали дипломатические отношения органы партийной пропаганды создали полное впечатление что готовиться нападение на СССР. Создание СССР.
39789. «Великие реформы» Александра II и контрреформы Александра III 65.5 KB
  Великие реформы Александра II и контрреформы Александра III Крестьянская реформа. То что он пересилил себя и согласился на перемены говорит о том что реформы назрели окончательно. Для подготовки и проведения реформы в январе 1857 г. Комитеты выдвинули различные варианты проекта реформы гг.
39790. Общественное движение в России во второй половине XIX в 68.5 KB
  Общественное движение в России во второй половине XIX в. Огарев и в России вокруг журнала Современник Н. Кроме того предполагалось ввести народное представительство широкое самоуправление передать землю народу а фабрики и заводы рабочим предоставить демократические свободы всему населению России. Энгельса и распространением их в России.
39791. Внешняя политика России во второй половине XIX начале XX вв. 49.5 KB
  Внешняя политика России во второй половине XIX начале XX вв. Участие России в европейских коалициях связано прежде всего с так называемым Балканским вопросом. После поражения в Крымской войне России было запрещено иметь военный флот на Черном море строить там крепости и форты. разрушили систему тяжелого и унизительного для России Парижского мирного трактата 1856 года.