Методы атомной спектроскопии в анализе почв, природных и промышленных вод

    3.3.2 Определение подвижных форм соединений   Мn, Zn, Си, Со в почвах

    Атомно-абсорбционный  метод анализа впервые был  предложен в 1955 г. И сразу же нашел самое широкое применение в почвенно-агрохимических исследованиях.

      Этот  метод выгодно отличается от традиционных аналитических методов универсальностью, простотой выполнения анализа и  высокой производительностью. Атомно-абсорбционный  метод обеспечивает предел обнаружения  многих элементов порядка 0,1-0,01 мкг/мл и ниже, что практически оказывается  достаточным в почвенных исследованиях.

      Атомно-абсорбционные  методы позволяют определить обменные основания и емкость поглощения, исследовать состав и количество водорастворимых катионов в почве. При контроле загрязнения почв тяжелыми металлами атомно-абсорбционный  метод занимает ведущее положение, особенно для таких металлов, как Pb, Zn, Cd, Hg, As, Se. Однако атомно-абсорбционный метод на сегодняшний день еще не обеспечивает определения ряда элементов, и в частности очень важных для почвоведения – азота, углерода, хлора, бора и йода.

    Подвижные формы соединений Мn, Zn, Си и Со извлекают ацетатно-аммонийным буферным раствором с ph= 4,8. Отношение почвы к раствору 1:10, время взаимодействия 1 ч при взбалтывании на ротаторе или кратковременное встряхивание и настаивание в течение суток. Метод пригоден как для некарбонатных, так и для карбонатных почв и принят агрохимической службой для оценки обеспеченности почв микроэлементами.

    Пробу почвы массой 5 г, растертой и пропущенной  через сито с отверстиями 1 мм, помещают в колбу емкостью 100 мл, приливают 50 мл ацетатно-аммонийного буферного раствора с рН 4,8. Суспензию взбалтывают 1 ч (или настаивают в течение суток). Вытяжку фильтруют через сухой складчатый фильтр в пробирку, первыми порциями споласкивают пробирку и их выбрасывают. В полученном фильтрате определяют микроэлементы атомно-абсорбционным методом в пламени ацетилен —воздух или в смеси пропан — бутан — воздух. Градуировочные графики строят по эталонным растворам соответствующих микроэлементов, приготовленных на ацетатно-аммонийном буфере.

    Реактивы  для приготовления буфера должны быть квалификации «особой чистоты» или в крайнем случае «х. ч.», вода должна быть бидистиллированной. Одновременно ставят холостой опыт, проводя ею через все стадии анализа, исключая взятие пробы почвы. Для приготовления 1 л буферного раствора с рН 4,8 необходимо 108 мл 98%-ной СН₃СООН и 75 мл 25%-ного раствора NН₄ОН добавить к 800—900 мл бидистиллированной воды, перемешать, измерить рН и, если необходимо, довести его до 4,8, после чего раствор водой довести до 1 л.

    Определение кобальта и меди в некоторых почвах в ацетатно-аммонийном буферном растворе прямым методом невозможно из-за очень низких концентраций. В этих случаях применяют предварительное концентрирование. Для определения меди достаточным бывает простое выпаривание вытяжки и растворение осадка в меньшем объеме (10-кратное концентрирование). Универсальным методом концентрирования является экстракция дитизонатов меди и кобальта из вытяжки объемом 100—150 мл [5].

4. ПРИБОРЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В АТОМНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

1. Спектрографы

    Одними из наиболее часто используемых приборов в атомной спектроскопии являются спектрографы. Спектрограф имеет коллиматорную (от S до D) и камерную части (D—Р) (рис. 7.1). Главнейшими узлами прибора являются щель (S), линза кол-лиматорной части (L₁), диспергирующее устройство (D), линза (линзы) камеры L₂, в фокальной плоскости камеры (Р) расположены кассета с фотографической пластинкой или другой приемник света. Входная щель пропускает узкий параллельный пучок света, ширину и высоту щели можно изменять. Обычная ширина щели — сотые доли миллиметра, высота — доли или целые миллиметры в зависимости от задач анализа [1].

Рис.4.1 Принципиальная схема  спектрального  прибора 

     Линза L₁, в фокусе которой расположена щель, подает на диспергирующее устройство параллельный пучок света. Диспергирующее устройство расчленяет сложную совокупность световых колебаний на составляющие (λ₁ + λ₂ + λз …) и далее такие монохроматические лучи идут параллельно друг другу и собираются линзой камерного объекта (L₂) на фокальной плоскости (Р). Таким образом, в фокальной плоскости камеры получают спектр — сочетание монохроматических несколько увеличенных изображений входной щели спектрографа.

     На  фотопластинке, поставленной в фокальной  плоскости, после экспозиции, проявления и закрепления появятся темные параллельные линии, составляющие эмиссионный спектр вещества.

     Атомные спектры элементов состоят из отдельных линий, так как в  излучении атомов имеются только некоторые определенные волны (рис. 4.2, а). В излучении раскаленных твердых или жидких тел присутствует свет любой длины волны. Отдельные линии в спектральном аппарате сливаются друг с другом. Такое излучение имеет сплошной спектр (рис. 4.2, в). В отличие от линейчатого спектра атомов, молекулярные спектры испускания веществ, которые не распались при высокой температуре, являются полосатыми (рис. 4.3, б). Каждая полоса образована большим числом близко расположенных линий.  

     Рис. 4.2 Типы спектров:

     а — линейчатый; б — полосатый; видны отдельные линии, составляющие полосу; в—сплошной. 

     Наиболее  темным местам в спектре соответствует  наибольшая интенсивность света (негативное изображение) [6].

     Большинство задач атомно-спектроскопического анализа решается при использовании спектральных линий, расположенных в видимом, ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном участках спектра. В соответствии с этим чаще всего применяют спектрографы, работающие в интервале длин волн 200—1000 нм. Спектральные приборы с кварцевой оптикой позволяют работать в области 200—700 нм, со стеклянной — в области 400—1000 нм. Разрешающая способность призменных приборов меняется по спектру. Приборы с дифракционной решеткой могут дать спектр обеих указанных областей с практически одинаковым разрешением по спектру. Это существенное преимущество дифракционных приборов перед призменными.

       Затем находят длину волны линии по ее положению в спектре, а с помощью таблиц определяют ее принадлежность тому или иному элементу [2]. 

2. Пламенные фотометры

   Пламенные фотометры также широко применяемы. Для целей фотометрического анализа широкое применение получили отечественные пламенные фотомеры ФПЛ-1 (фотомер пламенный лабораторный) и ПФМ (фотомер фотоэлектрический пламенный).

     Фотометр  пламенный лабораторный предназначен для количественного определения Na, К, Са в растворах. Его горелка обеспечивает работу на горючей смеси пропан — бутан — воздух. Допустимый суммарный дрейф электрического и фотометрического нуля в течение 1 ч не превышает 3% от верхнего значения шкалы. Нижний предел измерений составляет для Na и К — 0,5 мг/л, для Са — 5 мг/л. Верхний предел измерений для этих элементов — около 100 мг/л.

     Более совершенен фотоэлектрический фотометр ПФМ, он дает возможность определить Na, К, Са, Sr, Li, Rb, Сs, Ва, Мn. Чувствительность определения щелочных металлов на этом приборе почти на два порядка выше, чем на ФПЛ-1. Прибор комплектуется интерференционными светофильтрами для выделения излучения Na (λ_mах — 589±5 нм); К (λ_mах — 766±5 нм); Ca (λ_mах – 620±5 нм) и Li (λ_mах - 671±5 нм).

     Принципиальная  схема пламенного фотометра показана на рис. 4.2 . Анализируемый раствор из стаканчика 1 засасывается в распылитель 2 током воздуха, который поступает из компрессора 3 через фильтр 4. Давление воздуха измеряется манометром 5. Распыленный раствор проходит через смеситель 6 и подается в горелку 7. Горючий газ также проходит через редуктор и фильтр и смешивается с аэрозолем в смесителе 6. Крупные капли осаждаются сепаратором, а мелкие вместе с газом и воздухом поступают в горелку прибора и испаряются в пламени. Оптическая система состоит из следующих элементов: отражательного зеркала 8 и конденсора 9, проектирующих изображение источника эмиссии (пламени) на фотоэлемент. Излучение проходит через тепловой фильтр, предохраняющий оптические узлы и фотоэлемент, адсорбционные и интерференционные светофильтры 10, 11, 12 для монохроматизации эмиссии исследуемых элементов. Сигнал с фотоэлемента поступает на усилитель 14 и фиксируется микроамперметром 15 [2]. 
 

Рис. 4.2 Принципиальная схема пламенного фотометра:

1 — испытуемый раствор, 2 — распылитель, 3 — компрессор, 4 — фильтр для воздуха, 5 — манометр для воздуха, 5а — манометр для газа, 6—камера смесителя, 7 — горелка, 8 — зеркало, 5 — конденсор, 10, 11, 12 — светофильтры, 13 — фотоэлемент, 14 — усилитель, 15 — гальванометр, 16 — стабилизатор, 17 — баллон для газа 

     ВЫВОДЫ 

    В ходе  моей курсовой работы я  выполнила  все поставленные задачи  и добилась поставленной цели. Поэтому я делаю следующие выводы.

     Под спектральным анализом понимают совокупность приемов, с помощью которых в результате измерения спектров исследуемого образца количественно определяют содержание в нем интересующих элементов. Практической целью методов атомной спектроскопии при анализе вещества является качественное, полуколичественное или количественное определение элементного состава анализируемой пробы.

    Методы  атомной спектроскопии делятся  на атомно-абсорбционные и атомно-эмиссионные  методы анализа. Первый основан на резонансном поглощении света свободными атомами, возникающем при пропускании света через слой атомного пара. Второй же основан на способности возбужденных атомов испускать свет. Этот свет регистрируется специальными приборами, снимаются показания и сравниваются со справочными данными.

    С помощью атомно-спектроскопических методов анализа стало возможным качественное и количественное определение содержания тех или иных элементов в природных, сточных водах и почвах.

    Основные  методы определения неорганических компонентов сточных вод  атомно-абсорбционная  спектрометрия и пламенно-эмиссионная  спектрометрия. Исследование природных вод с помощью методов атомной спектроскопии имеет очень большое значение, т.к. с его помощью возможно оценить состав и свойства воды для питьевого, технического, сельскохозяйственного, лечебного и других видов использования. Наиболее используемый метод – метод фотометрии пламени. При анализе почв наибольшее распространение получил атомно-абсорбционный метод.

          Из всего вышесказанного следует, что методы атомной спектроскопии  в анализе природных, промышленных вод и почв очень применимы и чрезвычайно важны. Поэтому их следует и дальше продолжать использовать, только совершенствуя технологии. 
 
 

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ  ИСТОЧНИКИ 

1. Физико-химические методы анализа. Практическое руководство: Учеб. Пособие для вузов /В.Б. Алексовский, В.В. Бардин, М.И. Булатов и др.; под  ред. В.Б. Алексовского – Л.: Химия, 1988. – 376 с.
2. Дроздов В.А., Кузнецов В.В., Рогатинская С.Л. Под общей редакцией Петрухина О.М. Введение в физико-химические методы анализа. М., Моск. хим. технол. ин-т им. Д.И. Менделеева, 1980.; 80 с.
3. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. – М.: Химия, 1984. – 480 с.
4. Методы анализа природных вод. Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., изд-во «Недра», 1970, 488 с.
5. Физико-химические методы исследования почв. Под ред.Н.Г. Зырина, Д.С. Орлова. – М.; Изд-во МГУ, 1980, 382с.
6. zachetka.ru›Каталог рефератов›preview.aspx…