Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №77
Качественный и полуколичественный анализ сплавов
1. Цель работы
Ознакомиться с визуальным методом качественного и полуколичественного спектрального анализа сплавов в видимой области спект ра.
2. Теория метода
Спектральный анализ - это физический метод определения хими ческого состава вещества, основанный на изучении спектров излуче ния или поглощения атомов или молекул, комбинационного рассеяния света твердых, жидких и газообразных проб, люминесценции вещества. В зависимости от применяемых методов спектральный анализ делится:
1) на эмиссионный анализ, использующий оптические спектры излу чения атомов;
2) абсорбционный (спектры поглощения);
3) комбинационный, использующий спектры комбинационного рас сеяния веществ, возбужденных монохроматическим излучением;
4) люминесцентный, использующий излучение флуоресценции я фосфоресценции веществ, возбужденных ультрафиолетовым излучением или катодными лучами.
Эмиссионный спектральный анализ применяется для изучения эле ментного состава сплавов.
Важными характеристиками спектрального анализа является точ ность и чувствительность, быстрота и документальность (при фотографической или фотоэлектрической регистрации), производительность и универсальность. Именно благодаря спектроскопии стал возможным экспресс-анализ в металлургическом производстве, оттеснив химический анализ. Спектральный анализ обеспечивает быструю сортировку сплавов, контроль проб и продукции литейного производства, опреде ление состава незначительных примесей (с содержанием до 0,0001 %), является мощным методом анализа руд и минералов.
2.1. Эмиссионные спектры атомов
В эмиссионном спектральном анализе используются спектры попускания атомов и ионов, находящихся в свободном парообразном состоянии. Эти спектры появляется в результате электронных пере ходов внутри атомов или ионов и носят линейчатый характер. Спектр каждого элемента строго является его индивидуальной характеристикой и поэтому может быть использован для анализа вещества.
Линейчатый характер атомных спектров связан со строением атомов, дискретным (прерывным) распределением энергии, соответствующим стационарным состояниям атомов.
Атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся его масса, и отрицательно заряжен ных электронов, число которых в нейтральном атоме совпадает с порядковая номером элемента в периодической системе Менделеева, Внутренняя энергия атомного ядра очень велика ( ~ 105 -106 эВ , что соответствует энергии квантов γ-излучения), энергия же связи внешних электронов с ядром составляет 1-10 эВ. Поэтому при использовании обычных источников возбуждения (дуга, искра) ядра атомов остаются в обычном невозбужденном состоянии, а появление линейчатых спектров в оптической области связано с дискретностью энергии электронов, находящихся в атомах,
В отличие от свободно движущегося электрона, имеющего непрерывный спектр энергий, электрон, находящийся в атоме, может иметь лишь дискретный ряд значений анергии.
На энергетических схемах возможные значения энергии атома изображаются горизонтальными линиями, причем все атомы одного и того же элементе имеют одинаковые уровни энергии. На рис. 2.1 графически изображена система уровней энергии атома водорода, в которой наиболее низкий уровень анергии соответствует атому, находящемуся в невозбужденном состояния.
В основном состоянии атом может находиться неограниченное время. Все остальные состояния атома обладают большей энергией, представляют возбужденные состояния атомов с конечным временем, жизни. Чтобы атом был способен излучать, его необходимо перевес ти в более высокое энергетическое состояние. При возбуждении атомов переход совершает обычно один из внешних (валентных) электронов. В возбужденном состоянии атом находится около 10-8 секунд, после чего электрон самопроизвольно переходит на более низкие энергетические уровни, испуская кванты света. Некоторые ' из таких' переходов показаны на рис.2.1 стрелками. Энергия испус каемого при переходе фотона равна:
где Ei+Ek - энергия атома в начальном и конечном состояниях,
- частота фотона;
k - постоянная Планка.
Спектральная линия с длиной волны = с/ появляется при пе реходе атома из одного энергетического состояния в другое. При увеличении энергии возбужденного атома электрон переходит на более высокие уровни, его связь с ядром уменьшается. Если атому сообщить достаточно большую энергию, то можно удалить электрон из атома, ионизовать его.
На рис.2.1 граница ионизации атома во дорода соответствует E = 13,6 эВ.
Энергия, необходимая для ионизации невоз6ужденного атома, называется потенциалом ионизации. Потенциал ионизации выше по тенциала возбуждения любой спектральной линии в нейтральном ато ме. Система энергетических уровней иона такая же, как у нейтраль ного атома предыдущего элемента в периодической системе Менделеева, так как они имеет одинаковое число электронов. Зля данного элемента могут наблюдаться спектральные линии нейтрального атома (так называемый дуговой спектр) и спектральные линии ионизован ных атомов (так называемые искровые спектры). Спектр нейтраль ных атомов обозначается цифрой I, линии однократно, двукратно и т.д. ионизированных атомов - цифрами II, III и т.д. Уровни энер гий электронов различных атомов отличаются, поэтому каждый атом излучает фотоны вполне определенных длин, присущих только этому элементу.
2.2. Качественный спектральный анализ сплавов
Задачей качественного спектрального анализа является уста новление химического состава анализируемого образца. Анализ ос нован на том, что каждый элемент имеет присущий только ему спектр излучения. Критерием наличия элемента в анализируемом образце является присутствие в спектре излучения характерных линий этого элемента. Полная расшифровка спектра и идентификация всех его линий - задача трудоемкая, связанней с большим числом измерений длин волн спектральных линий. Для проведения качественного ана лиза на заданные элементы выбирают характерные линии данного элемента, обычно это самые чувствительные спектральные линии. Их , называют “последними” так как они исчезают в спектре последними при уменьшении концентрации элемента в пробе. Чувствительные ли нии всех элементов хорошо изучены и приводятся в справочниках для спектрального анализа и в таблицах спектральных линий.
Многие линии различных элементов обладают близкими длинами волн, так что в спектрограмме накладываются друг на друга и становятся неразличимыми. Поэтому для получения надежных результа тов следует убедиться в наличии нескольких характерных линий, принадлежащих данному элементу и находящихся в разных областях спектра.
Для проведения визуального качественного анализа с помощью стилоскопа, следует предварительно подробно ознакомиться со спектром железа и меди. При первом знакомства со спектром железа кажется, что он очень сложен из-за большого количества линий в эмиссионном спектре. Однако при внимательном рассмотрении становится заметным, что отдельные области спектра различаются меж ду собой по цвету, линии отличается друг от друга по яркости, не которые линии располагаются в характерные группы, которые легко запоминаются.
Кроме освоения спектра железа, для проведения качественного спектрального анализа надо воспользоваться и дисперсионной кри вой, т.е. графиком, связывающим длины волн линий со шкалой для фиксации поворота призмы (рис 2.3) стилоскопа.
Идентификация "последних" линий того или иного химического эле мента производится по специальным атласам спектра железа. Кроме линий железа, в таких атласах указаны ''последние" линии элементов, по которым и производится качественный анализ образцов.
2.3.Визуальный полуколичественный спектральный анализ сплавов
Количественное содержание химического элемента в анализи руемой пробе может быть установлено по измерениям интенсивностей спектральных линий. Эмпирически установлено, что интенсив ность излучения спектральной линии монотонно возрастает с уве личением содержании определяемого элемента в пробе. Однако ин тенсивность спектральных линий зависит не только от процентно го содержания анализируемого элемента, но и от условий возбуж дения спектра, процессов поступления пробы в разряд, скорости ис парения и ряда других факторов, Поэтому для установления коли чественного содержания элемента в сплаве пользуются оценкой относительной интенсивности двух спектральных линий – линии оп ределенного элемента и линии сравнения. Глаз, как измерительный прибор, не может точно определить отношение интенсивностей спектральных линий, но может установить равенство или неравенство яркостей спектральных линий.
При анализе сплавов в качестве линий сравнения обычно выбирают спектральные линии основы сплава. Например, для сталей линиями сравнения являются линии железа.
В той oобласти спектра, в которой находится анализируемая ли ния, всегда можно найти линию основы, интенсивность которой равна интенсивности линии примеси при данной концентрации. При измене нии концентрации, интенсивность линии примеси может бить больше или меньше интенсивности линии сравнения. Поэтому для проведения анализа приходится выбирать несколько линий определяемого элемен та и линий сравнения, расположенных в разных областях спектра, например группы Cr1 , Cr2 , Cr3 , Cr4 , Cr5 , Cr6.
Используя таблицы стилоскопических признаков производят оцен ку содержания примеси в сплаве. В качестве примера в табд.2.1 приведены стилоскопические признаки для определения хрома с сталях по группе Cr1. При стилоскопическом анализе допускается средняя погрешность 20 %.
|
Группа |
Содержание хрома, % |
Оценки интенсивностей |
|
Cr |
0,1 0,2 |
2=3 1=3 |
2.4. Устройство стилоскопа СЛ-II-A
Стилоскоп CЛ-II-А предназначен для быстрого визуального ка чественного и полуколичественного анализа сплавов в видимой об ласти спектра (3900 –7000 Å). Оптическая схема стилоскопа пока зана на рис.2.4.
Свет от дуги, пройдя трехлинзовую систему, равномерно заполняет щель I, направляется поворотной призмой 2 на объектив 3, который посылает параллельный пучок на диспергирующие призмы 4 и 5. Один из катетов призмы 5 посеребрен, поэтому лучи дважды проходят че рез призмы и попадают на прямоугольную призму 6 и зеркало, ко торые направляют их в окуляр 8. В фокальной плоскости окуляра расположен фотометрический клин 9.
Оптическая система помещена внутри корпуса 10 (рис 2.5).
На внешнюю часть корпуса выведены окуляр II и маховичок 12, ко торый поворачивает призму 5 (рис.2.4) для перемещения спектра в поле зрения окуляра. Моховичок соединен с барабаном, на котором нанесена миллиметровая шкала 13 и шкала 14 с символами химичес ких элементов. Символами обозначены группы спектральных линий, используемых для анализа сталей на соответствующие примеси. При совмещении символа с отсчетным штрихом барабана в поле зрения окуляра появляется соответствующая группа линий.
Во время работы необходимо установить точку, нанесенную на маховичке 15, против соответствующего обозначения (13,5х или 20х) на шкале 16.
С левой стороны прибора на том же основании смонтирован сто лик 17 для проб, а также расположен кронштейн 22 (рис.2.6) с дер жателем, в котором можно устанавливать дисковый электрод 24 или цилиндрический электрод. Держатель электродов можно перемещать по высоте маховичком 18 (рис.2.5) в направлении, перпендикулярном к оптической оси, маховичком 19 и в случае перемещения дисково го электрода вращать маховичком 20.
На столике 17 можно устанавливать образцы любых размеров и формы. Расстояние между образцом и электродом, равное 1,5 или 2 мм, устанавливается с помощью съемного шаблона 21, помещаемого вместо образца на столик. Электрод подводится к шаблону да упора. В нижней части прибора помещен источник возбуждения спектра - ге нератор, обеспечивающий дуговой и искровой режимы работы. Напря жение от генератора к нижнему электроду подводится через контакт на кронштейне держателя, а к образцу, установленному на столике, через заземленный корпус прибора.
3.Приборы и принадлежности: I. Стилоскоп СЛ-IIА
2. Набор электродов из различных сплавов.
4.Практическая часть
получилось содержание Mo (молибден) 0,65 1,2 %;
получилось содержание Mo (молибден) 0,7 1,2 %.
Значит образец Х12М содержит примерно 1% молибдена.