Atom-spektrometria(lángfotometria és AAS)

A Petrik Lajos Két Tanítási Nyelvű Vegyipari, Környezetvédelmi és Informatikai

Szakközépiskola tananyagaszakmai gyakorlatok/műszeres laborból

http://tp1957.atw.hu/ma_45.ppt

14. E

Az atomspektrometriaAz atomspektrometria atomok és ionok által kibocsátott vagy elnyelt fény mérésével foglalkozik, minőségi és mennyiségi mérésre egyaránt alkalmas módszerei vannak. Az atomok és/vagy ionok előállítása többféle módon történhet:– kémiai láng hőjével (lángfotometria, láng-atom-abszorpció),– elektrotermikusan (ETA, grafitkemence = GF),– plazmával (ICP módszerek: ICP-OES és ICP-MS),– esetleg elektromos ívvel vagy szikrával, illetve– higany esetén hideggőzös technikával.Az egymástól független atomok és ionok színképe vonalas, így minőségi azonosításra, illetve egymás mellett több elem mennyiségi mérésére is alkalmasak a módszerek.

Az atomspektrometria

200 400 600 800 1000

molekula-spektrum

200 400 600 800 1000

E

A

atomspektrum

Az atomspektrometria ágaiAESOES

AAS

AFS

http://www.tankonyvtar.hu/kemia/atomabszorpcios-080904-6

Néhány név és évszám1758 Marggraf lángszínezés K és Na megkülönböztetésére1802 Wollaston a Nap spektrumában fekete vonalak

(Fraunhofer)1815 Fraunhofer spektroszkóp (576 vonal)1822 Herschel láng-spektrum felbontása1859 Bunsen és Kirchhoff a lángfestés magyarázata1928 Lundegardh lángspektrográf (min. és menny.)1950-es évek emissziós spektrométerek (el. det.)1957 Walsh láng-atomabszorpciós spektrofotométer1960-as évek vége L'vov és Massmann grafitkemence

Izzó test spektruma a hőmérséklet függvényében

Folytonos (pl. izzó test)

Kibocsátási (emissziós)

Elnyelési (abszorpciós)

A hőmérséklet emelkedésével

–nő a kibocsá-tott fény és

–a maximum helye a kisebb

hullámhossz (nagyobb ener-gia) felé tolódik el.

Energia emisszió

Elektronpályák közti átmenetek egyedi hullám-hosszal rendelkeznek

Nagyobb energia-átmenethez rövi-debb hullámhossz tartozik

A spektrumok fajtái

Folytonos (pl. izzó test)

Kibocsátási (emissziós)

Elnyelési (abszorpciós)

Kirchhoff spektroszkópiai törvénye

Amilyen fényt képes kibocsátani az atom, ugyanolyat képes elnyelni is.

Az abszorpciós és emissziós módszerek összehasonlítása

Emissziónál a gerjesztett Abszorpciónál a fényatomok bocsátják ki az gerjeszti atomokatenergiát fényként.

Emissziós spektrumokaz interneten

http://chemistry.bd.psu.edu/jircitano/periodic4.html

Különböző gerjesztésekkel elérhető hőmérsékletek

Láng vagy módszer Hőmérséklet, °Celméleti/gyakorlati

Lángse-besség

Propán-bután – levegő 2200/1800 0,82Hidrogén – levegő 2320/2000 3,10Hidrogén – oxigén 2930/2700 20,0Acetilén – levegő 2600/2200 1,60Acetilén – N2O (dinitrogén-oxid) 3020/2800 1,80

Acetilén – oxigén 3370/3100 11,0Grafitkemence 3000Argon plazma 5000..10000A láng lehet előkevert és diffúziós.

Az energia kisugárzás magasabb hőmérsékleten intenzívebb

Mn 279,482 nm Mg 280,270 nmMg 279,553 nm Mo 281,615 nmMn 279,827 nm Pb 283,307 nmMn 280,106 nm Th 283,730 nmPb 280,200 nm Sn 283,999 nm

Különböző elemek lángjának színe

• Li bordó• Na sárga (589 nm)• K lila (766,5 nm)• Rb rubinvörös• Cs kék• Mg sárgásvörös• Ca téglavörös• Sr vörös• Ba világos (fakó) zöld• Cu kékeszöld• Tl fűzöld

Lángfestés: Marggraf 1758

Néhány fém emissziós spektruma

LiNaKRbCsMgCaSrBaCuTl

Lángfotometria

MegvalósításA mintát a porlasztóba a levegő áramlása szívja fel. Keve-redik az éghető gázzal, és a nagy cseppek leválasztása után a lángba jut. (ld. folyamatok a lángban).AlkalmazásAlkáli és alkáliföldfémek analízisére megfelelő.Korlátozott használat a környezetvédelemben.Környezetvédelmi felhasználás: keménység, Na, CaNem nyomelemzési célra > 10 ppmRendkívül egyszerű, olcsó, gyors használat

Folyamatok a lángban

párolgás a lángban

ion-molekuláktermikus

disszociáció a lángban

alapállapotú atom

hőenergia elnyelés

gerjesztett állapot

energia kibocsátás

fény formájában a

láng hüvösebb részénvisszatérés

alapállapotba

porla

sztá

s

ionok az oldatban

Bunsen (1811-1899) készüléke

A lángfotométer felépítése

Lángfotométer

B, mg/dm3 emisszió20 15340 27060 35680 430

100 495395

Mennyiségi elemzés

A kalibrációs függvény az önabszorpció miatt nem egyenes.Önabszorpció: a nem gerjesz-tett (alapálla-potú) atomok elnyelik a kibo-csátott fényt (ld. Kirchhoff).

Mennyiségi elemzés

A kalibrációs függvényt fordít-va ábrázolva az eredmény könnyebben számítható: nem kell másodfokú egyenlet megoldó képlet.Behelyettesítve:y = 70 mg/dm3

Atomabszorpciós spektrometria

A mérés alapja Kirchhoff spektrosz-kópiai törvénye: amilyen fényt ké-pes kibocsátani az atom, ugyano-lyat képes elnyelni is.Ez volt az önabszorpció oka a lángfotometriánál.Az atomabszorpciós spektrometria a lángfotometriától abban különbözik, hogy nem a fénykibocsátást, hanem a fényelnyelést vizsgáljuk. Ebből adódóan:– szükség van fényforrásra,– érzékenyebb a módszer,– több elem mérhető (kb. 70).

Az atomabszorpciós spektrométer felépítése

A készülék felépítése a lángfotométeréhez hasonló. A láng-atomabszorpciós spektrométerek a lámpa kikapcsolt állapotában lángfotométerként használhatók.Lehet az atomizálást másképp is végezni: ilyen lehetőség az elektrotermikus (ETA) módszer vagy grafitkályha (GFA).

Az atomabszorpciós spektrométer felépítése

Atomabszorpciós spektrometria

A méréshez használt fényforrás lehet:vájtkatódlámpa,elektródnélküli kisülési lámpa (EDL), lézerdióda vagy nagynyomású Xe lámpa. A vájtkatódlámpában nemesgáz van. Ha a mérni kívánt fémből készült üreges katód és az anód közé megfelelő feszültséget kapcsolunk, akkor gázkisülés jön létre. A nagy sebességre gyorsult részecskék a katódból fématomokat „ütnek” ki, azok a gerjesztődés révén meghatározott hullámhosszúságú fényt bocsátanak ki.EDL: benne a fém illékony vegyülete van, az energiát a lámpa köré helyezett tekercs adja. A rádiófrekvenciás elektromágneses mező hatására atomizáció és gerjesztő-dés jön létre.

Ki az a Derájn? DeryneDéryné Széppataki Róza

27,12 MHzipari

frekvencia

Az ív kiterjedése kisebb mint 1 mm, átmérője 0,2 mm („hot-spot” lámpa).A xenon nyomása hidegen 17 bar,üzem közben a négyszeresére növekszik (≈70 bar).A plazma hőmér-séklete 10 000 K.A lámpa teljesítmé-nye 300 W (20 V,15 A).

Nagy nyomású Xe mikro-ív lámpa

A méréshez használható láng

A méréshez használható lángI/A II/A III/B IV/B V/B VI/B VII/B VIII/B I/B II/B III/A IV/A V/A VI/A VII/A 0 H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg

Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Ac

Lantanidák Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Aktinidák Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw

levegő – propán levegő – acetilén dinitrogén-oxid – acetilén argon – hidrogén

Láng-AAS berendezés (Unicam 969)

Láng-AAS berendezés (Shimadzu AA-680)

1. spektrofotométer a lánggal, 2. monitor, 3 grafikus printer és célszámítógép, 4. gázszabályozó egység

Atomabszorpció kiértékelése 1.

összehasonlító (kalibrációs)

Atomabszorpció kiértékelése 2.

standard addíció

A grafitkályha (GFA, ETA)

hosszirányú fűtés

keresztirányú fűtés

A grafitkályha (GFA, ETA)

Folyamatok a grafitkemencében

A fűtési program, amelynek teljes hossza általában mintegy 2-5 perc, legalább négy szakaszból áll:• szárítás (105-110 °C),• hamvasztás (300-1000 °C),• atomizálás (1500-2500 °C)• tisztítás (kb. 3000 °C)Az idő legnagyobb részében Ar áramlik át, csak az atomizáláskor (néhány s) nem. Így a minta gőzei nem hígulnak fel, a mérés érzékenyebb lesz, mint a láng-atomabszorpciós módszer.

A fűtési program

A fűtési program

Elektronok gerjesztése és energia leadása

Az emissziós módszereknél a gerjesztett és az alapállapot közti átmenetekkor keletkező fény hullámhosszát (minő-ség) és intenzitását (mennyiségi) mérik.

ion gerjesztettállapot

gerjesztettállapot

alapállapot

ion alapállapot

Gerjesztés Kibocsátás

A H színképe

A hidrogén emissziós spektruma

Atomabszorpciós spektrometria

Az elv: ami képes az atomot gerjeszteni, azt a hullámhosszúságú fényt elnyeli.