Fizičke metode istraživanja u građevinarstvu. Fizičko-hemijske metode istraživanja materijala

Uvod

Čovječanstvo kroz svoj razvoj koristi zakone kemije i fizike u svom djelovanju kako bi riješilo različite probleme i zadovoljilo mnoge potrebe.

U davna vremena, ovaj proces se odvijao na dva različita načina: svjesno, na osnovu akumuliranog iskustva ili slučajno. To vrhunski primjeri svjesna primjena zakona hemije uključuje: kiseljenje mlijeka i njegovu naknadnu upotrebu za pripremu proizvoda od sira, pavlake i ostalog; fermentacija nekih sjemenki, na primjer, hmelja i naknadna proizvodnja pivarskih proizvoda; fermentacija sokova različitog voća (uglavnom grožđa, koji sadrži veliki brojšećer), na kraju je dao proizvode od vina, sirće.

Otkriće vatre bilo je revolucija u životu čovječanstva. Ljudi su počeli koristiti vatru za kuhanje, za toplinsku obradu proizvoda od gline, za rad s njima razni metali, za drveni ugalj i još mnogo toga.

S vremenom ljudi imaju potrebu za funkcionalnijim materijalima i proizvodima na njihovoj osnovi. Ogroman uticaj njihovo poznavanje hemije doprinijelo je rješavanju ovog problema. Hemija je igrala posebno važnu ulogu u proizvodnji čistih i ultračistih supstanci. Ako u proizvodnji novih materijala prvo mjesto pripada fizičkim procesima i tehnologijama koje se temelje na njima, onda se sinteza ultračistih tvari u pravilu lakše provodi pomoću kemijskih reakcija [

Koristeći fizičke i hemijske metode, proučavaju fizičke pojave koji se javljaju tokom hemijskih reakcija. Na primjer, u kolorimetrijskoj metodi intenzitet boje se mjeri ovisno o koncentraciji tvari, u konduktometrijskoj metodi se mjeri promjena električne provodljivosti otopina, a optičke metode koriste odnos između optička svojstva sistema i njegovog sastava.

Fizičke i hemijske metode studija se takođe koristi za sveobuhvatno proučavanje građevinskog materijala. Korištenje takvih metoda omogućuje vam dubinsko proučavanje sastava, strukture i svojstava građevinskih materijala i proizvoda. Dijagnostika sastava, strukture i svojstava materijala u različitim fazama njegove proizvodnje i rada omogućuje razvoj progresivnih tehnologija za uštedu resursa i energije [

Ovaj rad prikazuje opštu klasifikaciju fizičko-hemijskih metoda za proučavanje građevinskih materijala (termografija, radiografija, optička mikroskopija, elektronska mikroskopija, atomska emisiona spektroskopija, molekularna apsorpciona spektroskopija, kolorimetrija, potenciometrija) i metode kao što su termička i rendgenska fazna analiza, kao i metode za proučavanje porozne strukture detaljnije [ Priručnik za građevinara [ Elektronski resurs] // Ministarstvo urbane i seoske izgradnje Bjeloruska SSR. URL: www.bibliotekar.ru/spravochnick-104-stroymaterialy.html].

1. Klasifikacija fizičkih i hemijskih metoda istraživanja

Fizičke i hemijske metode istraživanja zasnovane su na zatvoriti vezu fizičke karakteristike materijala (na primjer, sposobnost apsorpcije svjetlosti, električna provodljivost, itd.) i strukturnu organizaciju materijal u smislu hemije. Dešava se da iz fizičkih i hemijskih metoda, kao npr odvojena grupa razlikuju čisto fizičke metode istraživanja, pokazujući na taj način da u fizičkim i hemijskim metodama određeno hemijska reakcija, za razliku od čisto fizičkih. Ove metode istraživanja se često nazivaju instrumentalnimi, jer uključuju upotrebu različitih mjernih uređaja. Instrumentalne metode istraživanja, po pravilu, imaju svoju teorijsku osnovu, ova baza odstupa od teorijske baze hemijska istraživanja(titrimetrijski i gravimetrijski). Zasnovala se na interakciji materije sa različitim energijama.

Tokom fizičko-hemijsko istraživanje Da bi se dobili potrebni podaci o sastavu, strukturnoj organizaciji supstance, eksperimentalni uzorak se podvrgava uticaju neke vrste energije. Ovisno o vrsti energije u tvarima mijenjaju se energetska stanja njenih sastavnih čestica (molekula, jona, atoma). Ovo se izražava u promjeni nekog specifičnog skupa karakteristika (na primjer, boja, magnetna svojstva i drugi). Kao rezultat registrovanja promjena u karakteristikama supstance dobijaju se podaci o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu ispitivanog uzorka, odnosno podaci o njegovoj strukturi.

Prema raznolikosti uticajnih energija i karakteristikama koje se proučavaju, fizikalno-hemijske metode istraživanja se dijele na sljedeći način.

Tabela 1. Klasifikacija fizičkih i hemijskih metoda

Pored onih navedenih u ovoj tabeli, postoji dosta privatnih fizičko-hemijskih metoda koje se ne uklapaju u takvu klasifikaciju. Zapravo, optičke, kromatografske i potenciometrijske metode se najaktivnije koriste za proučavanje karakteristika, sastava i strukture uzorka [ Galuzo, G.S. Metode za proučavanje građevinskih materijala: nastavno pomagalo/ G.S. Galuzo, V.A. Bogdan, O.G. Galuzo, V.I. Kovazhnkov. - Minsk: BNTU, 2008. - 227 str.].

2. Metode termičke analize

Termička analiza se aktivno koristi za proučavanje različitih građevinskih materijala - mineralnih i organskih, prirodnih i sintetičkih. Njegova upotreba pomaže da se otkrije prisustvo određene faze u materijalu, da se odrede reakcije interakcije, razgradnje i, u izuzetnim slučajevima, da se dobiju informacije o kvantitativnom sastavu kristalne faze. Mogućnost dobivanja informacija o faznom sastavu visoko dispergiranih i kriptokristalnih polimineralnih smjesa bez podjele na polimineralne frakcije jedna je od glavnih prednosti tehnike. Metode termičkog istraživanja zasnivaju se na pravilima postojanosti hemijskog sastava i fizičke karakteristike supstance, pod određenim uslovima, i između ostalog, na zakone korespondencije i karakteristike.

Zakon korespondencije kaže da se specifični termički efekat može pripisati bilo kojoj promjeni faze u uzorku.

A zakon karakteristika kaže da su termički efekti individualni za svaku hemijsku supstancu.

Osnovna ideja termičke analize je proučavanje transformacija koje nastaju u uslovima povećanja temperaturnih indikatora u sistemima supstanci ili specifičnih jedinjenja u različitim fizičkim i hemijskim procesima, prema termičkim efektima koji ih prate.

Fizički procesi se obično zasnivaju na transformaciji strukturna struktura, ili agregatno stanje sistema u njegovoj konstanti hemijski sastav.

Hemijski procesi dovode do transformacije hemijskog sastava sistema. To uključuje direktnu dehidraciju, disocijaciju, oksidaciju, reakcije izmjene i druge.

U početku, termalne krivulje za krečnjak i glinene stijene je dobio francuski hemičar Henri Louis Le Chatelier 1886-1887. U Rusiji je jedan od prvih koji je proučavao metodu termičkog istraživanja bio akademik N.S. Kurnakov (1904. godine). Ažurirane modifikacije pirometra Kurnakov (aparat za automatsko snimanje krivulja grijanja i hlađenja) i dalje se koriste u većini istraživačkih laboratorija do danas. S obzirom na proučavane karakteristike kao rezultat zagrijavanja ili hlađenja, razlikuju se sljedeće metode termičke analize: diferencijalna termička analiza (DTA) - utvrđuje se promjena energije uzorka koji se proučava; termogravimetrija - promjene mase; dilatometrija - promjena volumena; zapremina gasa - menja se sastav gasne faze; električna provodljivost - promjene električnog otpora.

U toku termičkih istraživanja može se istovremeno primijeniti nekoliko metoda proučavanja, od kojih svaka bilježi promjene u energiji, masi, zapremini i drugim karakteristikama. Sveobuhvatno proučavanje karakteristika sistema tokom procesa grijanja pomaže da se detaljnije i detaljnije prouče osnove procesa koji se u njemu odvijaju.

Jedna od najvažnijih i najčešće korištenih metoda je diferencijalna termička analiza.

Fluktuacije u temperaturnim karakteristikama supstance mogu se otkriti tokom njenog uzastopnog zagrijavanja. Dakle, lončić se puni eksperimentalnim materijalom (uzorkom), stavlja u električnu peć, koja se zagrijava, i počinju mjeriti temperaturne indikatore sistema koji se proučava pomoću jednostavnog termoelementa spojenog na galvanometar.

Registriranje promjene entalpije tvari odvija se uz pomoć običnog termoelementa. Ali zbog činjenice da odstupanja koja se moderno vide na temperaturnoj krivulji nisu velika, bolje je koristiti diferencijalni termoelement. U početku je upotrebu ovog termoelementa predložio N.S. Kurnakov. Šematski prikaz samoregistrirajućeg pirometra prikazan je na slici 1.

Ova šematska slika prikazuje par običnih termoparova, koji su međusobno povezani istim krajevima, formirajući takozvani hladni spoj. Preostala dva kraja spojena su na aparat, što vam omogućava da popravite transformacije u krugu elektromotorne sile (EMF) koje se pojavljuju kao rezultat povećanja temperature vrućih spojeva termoelementa. Jedan vrući spoj se nalazi u ispitivanom uzorku, a drugi u referentnoj supstanci.

Slika 1. Šematski prikaz diferencijalnog i jednostavnog termoelementa: 1 - električna peć; 2 - blok; 3 – eksperimentalni uzorak koji se proučava; 4 - referentna supstanca (standard); 5 – vrući spoj termoelementa; 6 – hladni spoj termoelementa; 7 - galvanometar za fiksiranje DTA krive; 8 - galvanometar za fiksiranje temperaturne krive.

Ako su za ispitivani sistem česte neke transformacije koje su povezane sa apsorpcijom ili oslobađanjem toplotne energije, tada njegov temperaturni indeks u ovom trenutku može biti mnogo veći ili niži od referentne referentne supstance. Ova temperaturna razlika dovodi do razlike u vrijednosti EMF-a i, kao rezultat, do odstupanja DTA krive gore ili dolje od nule ili osnovne linije. Nulta linija je linija paralelna sa x-osom i povučena kroz početak DTA krive, to se može vidjeti na slici 2.

Slika 2. Šema jednostavnih i diferencijalnih (DTA) temperaturnih krivulja.

Zapravo, vrlo često nakon završetka neke termičke transformacije, DTA kriva se ne vraća na nultu liniju, već nastavlja da teče paralelno s njom ili pod određenim kutom. Ova linija se naziva bazna linija. Ovo neslaganje između baznih i nultih linija objašnjava se različitim termofizičkim karakteristikama proučavanog sistema supstanci i referentne supstance poređenja [].

3. Metode rendgenske fazne analize

Rentgenske metode za proučavanje građevinskih materijala temelje se na eksperimentima u kojima se koristi rendgensko zračenje. Ova klasa studija se aktivno koristi za proučavanje mineraloškog sastava sirovina i krajnjih proizvoda, faznih transformacija u supstanci u različitim fazama njihove prerade u proizvode spremne za upotrebu i tokom rada, te, između ostalog, za identifikaciju priroda strukturne strukture kristalne rešetke.

Tehnika rendgenskih studija koja se koristi za određivanje parametara elementarne ćelije supstance naziva se tehnika difrakcije rendgenskih zraka. Tehnika, koja se koristi u toku proučavanja faznih transformacija i mineraloškog sastava supstanci, naziva se rendgenska fazna analiza. Metode rendgenske fazne analize (XRF) imaju veliki značaj u proučavanju mineralnih građevinskih materijala. Na osnovu rezultata rendgenskih faznih studija dobijaju se informacije o prisustvu kristalnih faza i njihovoj količini u uzorku. Iz ovoga slijedi da postoji kvantitativni i kvalitativne metode analiza.

Svrha kvalitativne rendgenske faze analize je da dobije informacije o prirodi kristalne faze ispitivane supstance. Metode se zasnivaju na činjenici da svaki specifični kristalni materijal ima specifičan rendgenski uzorak sa vlastitim skupom difrakcijskih pikova. Danas o većini postoje pouzdani radiografski podaci poznato čoveku kristalne supstance.

Zadatak kvantitativnog sastava je da dobije informacije o broju specifičnih faza u polifaznim polikristalnim supstancama, a zasniva se na zavisnosti intenziteta difrakcijskih maksimuma od postotak faza koja se proučava. Sa povećanjem količine bilo koje faze, njen intenzitet refleksije postaje veći. Ali za polifazne supstance, odnos između intenziteta i količine ove faze je dvosmislen, jer veličina intenziteta refleksije ove faze zavisi ne samo od njenog procenta, već i od vrednosti μ, koja karakteriše koliko je X- snop zraka je oslabljen kao rezultat prolaska kroz materijal koji se proučava. Ova vrijednost slabljenja materijala koji se proučava ovisi o vrijednostima slabljenja i količini drugih faza koje su također uključene u njegov sastav. Iz ovoga slijedi da svaka metoda kvantitativna analiza trebalo bi nekako uzeti u obzir utjecaj indeksa slabljenja, kao rezultat promjene u sastavu uzoraka, čime se narušava direktna proporcionalnost između količine ove faze i stepena intenziteta njene difrakcijske refleksije [ Makarova, I.A. Fizičko-hemijske metode za proučavanje građevinskih materijala: studijski vodič / I.A. Makarova, N.A. Lokhov. - Bratsk: Iz BrGU, 2011. - 139 str. ].

Opcije za dobijanje rendgenskih snimaka dele se, na osnovu metode registracije zračenja, na fotografske i difraktometrijske. Upotreba metoda prvog tipa uključuje registraciju fotografija rendgensko zračenje, pod čijim uticajem se uočava potamnjenje emulzije. Difraktometrijske metode za dobijanje rendgenskih uzoraka, koje se implementiraju u difraktometrima, razlikuju se od fotografskih metoda po tome što se difrakcijski uzorak dobiva uzastopno tijekom vremena [ Pindyuk, T.F. Metode za proučavanje građevinskih materijala: smjernice za laboratorijske radove / T.F. Pindyuk, I.L. Chulkov. - Omsk: SibADI, 2011. - 60 str. ].

4. Metode za proučavanje porozne strukture

Građevinski materijali imaju heterogenu i prilično složenu strukturu. Unatoč raznolikosti i porijeklu materijala (beton, silikatni materijali, keramika), u njihovoj strukturi uvijek postoje različite pore.

Termin "poroznost" povezuje dva najvažnija svojstva materijala - geometriju i strukturu. Geometrijska karakteristika je ukupni volumen pora, veličina pora i njihova ukupna specifična površina, koji određuju poroznost strukture (materijal s velikim porama ili materijal s finim porama). Strukturna karakteristika- ovo je tip pora i njihova distribucija po veličini. Ova svojstva se mijenjaju ovisno o strukturi čvrste faze (granulirana, ćelijska, vlaknasta, itd.) i strukturi samih pora (otvorene, zatvorene, komunicirajuće).

Glavni utjecaj na veličinu i strukturu poroznih formacija imaju svojstva sirovine, sastav smjese, tehnološki proces proizvodnja. Najvažnije karakteristike su distribucija veličine čestica, zapremina veziva, procenat vlage u sirovini, metode oblikovanja finalnog proizvoda, uslovi formiranja konačna struktura(sinterovanje, fuzija, hidratacija, itd.). Snažan uticaj Na strukturu poroznih formacija utječu specijalizirani aditivi, tzv. Tu spadaju, na primjer, aditivi za gorivo i zapaljivi aditivi, koji se unose u sastav punjenja prilikom proizvodnje keramičkih proizvoda, a osim toga, površinski aktivne tvari se koriste kako u keramici tako iu materijalima na bazi cementa. Pore ​​se razlikuju ne samo po veličini, već i po obliku, a kapilarni kanali koje stvaraju imaju promjenjiv poprečni presjek cijelom dužinom. Sve formacije pora dijele se na zatvorene i otvorene, kao i na kanalotvorne i slijepe.

Strukturu poroznih građevinskih materijala karakteriše kombinacija svih vrsta pora. Porozne formacije mogu biti nasumično locirane unutar supstance, ili mogu imati određeni red.

Pori kanali imaju vrlo složenu strukturu. Zatvorene pore su odsječene od otvorenih pora i nisu ni na koji način povezane jedna s drugom i sa spoljašnje okruženje. Ova klasa pora je nepropusna za plinovite tvari i tekućine i kao rezultat toga ne spada u opasne. Otvorene porozne formacije koje formiraju kanal i slijepe ulice vodeno okruženje može lako popuniti. Njihovo punjenje se odvija prema različitim shemama i uglavnom ovisi o površini poprečnog presjeka i dužini pornih kanala. Kao rezultat običnog zasićenja, ne mogu se svi porozni kanali napuniti vodom, na primjer, najmanje pore manje od 0,12 mikrona se nikada ne popunjavaju zbog prisustva zraka u njima. Velike porozne formacije pune se vrlo brzo, ali u zraku, kao rezultat niske vrijednosti kapilarne sile voda se u njima slabo zadržava.

Količina vode koju apsorbira tvar ovisi o veličini poroznih formacija i o karakteristikama adsorpcije samog materijala.

Odrediti odnos između porozne strukture i fizičke i hemijske karakteristike znaju malo materijala opšte značenje zapremine poroznih formacija. Ukupna poroznost ovdje ne određuje strukturu tvari važnu ulogu igra princip raspodjele veličine pora i prisutnost poroznih formacija određene veličine.

Geometrijski i strukturni pokazatelji poroznosti građevinskih materijala razlikuju se i na mikro i na makro nivou. G.I. Gorčakov i E.G. Muradov je razvio eksperimentalno-računsku tehniku ​​za identifikaciju ukupne i grupne poroznosti betonskih materijala. Osnova tehnike leži u činjenici da se tokom eksperimenta nivo hidratacije cementa u betonu određuje pomoću kvantitativne rendgenske studije ili približno zapreminom vode vezane cementnim vezivom ω, koja nije isparila tokom sušenja. na temperaturi od 150 ºS: α = ω/ ω max .

Volumen vezane vode sa potpunom hidratacijom cementa je u rasponu od 0,25 - 0,30 (prema masi nekalciniranog cementa).

Zatim se pomoću formula iz tabele 1 izračunava poroznost betona u zavisnosti od nivoa hidratacije cementa, njegove potrošnje u betonu i količine vode [ Makarova, I.A. Fizičko-hemijske metode za proučavanje građevinskih materijala: studijski vodič / I.A. Makarova, N.A. Lokhov. - Bratsk: Iz BrGU, 2011. - 139 str. ].

Fotokolorimetrija

Kvantitativno određivanje koncentracije tvari apsorpcijom svjetlosti u vidljivom i bliskom ultraljubičastom području spektra. Apsorpcija svjetlosti se mjeri na fotoelektričnim kolorimetrima.

Spektrofotometrija (apsorpcija). Fizičkohemijska metoda za proučavanje rastvora i čvrstih materija zasnovana na proučavanju apsorpcionih spektra u ultraljubičastim (200–400 nm), vidljivim (400–760 nm) i infracrvenim (>760 nm) oblastima spektra. Glavna ovisnost koja se proučava u spektrofotometriji je ovisnost intenziteta apsorpcije upadne svjetlosti od talasne dužine. Spektrofotometrija se široko koristi u proučavanju strukture i sastava razna jedinjenja(kompleksi, boje, analitički reagensi itd.), za kvalitativno i kvantitativno određivanje supstanci (određivanje elemenata u tragovima u metalima, legurama, tehničkim predmetima). Spektrofotometrijski instrumenti - spektrofotometri.

Apsorpciona spektroskopija, proučava apsorpcione spektre elektromagnetnog zračenja atoma i molekula materije u različitim agregacionim stanjima. Intenzitet svjetlosnog toka tokom njegovog prolaska kroz medij koji se proučava opada zbog pretvaranja energije zračenja u razne forme unutrašnju energiju materije i (ili) u energiju sekundarnog zračenja. Kapacitet apsorpcije supstance zavisi od elektronska struktura atoma i molekula, kao i na talasnu dužinu i polarizaciju upadne svetlosti, debljinu sloja, koncentraciju supstance, temperaturu i prisustvo električnih i magnetnih polja. Za mjerenje apsorpcije koriste se spektrofotometri - optički instrumenti koji se sastoje od izvora svjetlosti, komore za uzorke, monohromatora (prizma ili difrakcijska rešetka) i detektora. Signal sa detektora se snima u obliku kontinuirane krive (apsorpcionog spektra) ili u obliku tabela ako spektrofotometar ima ugrađen kompjuter.

1. Bouguer-Lambertov zakon: ako je medij homogen i sloj na otoku okomit na upadni paralelni svjetlosni tok, tada

I \u003d I 0 exp (- kd),

gdje je I 0 i I-intenzitet odn. upada i prenosi kroz svjetlost, debljina d-sloja, k-koeficijent. apsorpcija, to-ry ne zavisi od debljine apsorpcionog sloja i intenziteta upadnog zračenja. Za karakterizaciju apsorbira. sposobnosti široko koriste koeficijent. izumiranje ili apsorpcija svjetlosti; k" = k / 2,303 (u cm -1) i optička gustoća A = lg I 0 / I, kao i vrijednost transmisije T = I / I 0. Odstupanja od zakona poznata su samo za svjetlosne tokove od izuzetno visokog intenziteta (za lasersko zračenje). Coef. k zavisi od talasne dužine upadne svetlosti, jer njegova vrijednost je određena elektronska konfiguracija molekula i atoma i vjerovatnoće prijelaza između njihovih elektronskih nivoa. Kombinacija prijelaza stvara apsorpcijski spektar (apsorpciju), karakterističan za dati in-va.

2. Beerov zakon: svaki molekul ili atom, bez obzira na relativni raspored drugih molekula ili atoma, apsorbira isti dio energije zračenja. Odstupanja od ovog zakona ukazuju na stvaranje dimera, polimera, saradnika, hem. interakcija upijajućih čestica.

3. Kombinovani Bouguer-Lambert-Beer zakon:

A \u003d lg (I 0 / I) \u003d KLC

L je debljina apsorbirajućeg sloja atomske pare

Apsorpciona spektroskopija se zasniva na upotrebi sposobnost tvari da selektivno (selektivno) apsorbira svjetlosnu energiju.

Apsorpciona spektroskopija istražuje apsorpcioni kapacitet supstanci. Spektar apsorpcije (apsorpcioni spektar) dobija se na sledeći način: supstanca (uzorak) se postavlja između spektrometra i izvora elektromagnetnog zračenja sa određeni raspon frekvencije. Spektrometar mjeri intenzitet svjetlosti koja je prošla kroz uzorak, u poređenju sa intenzitetom izvornog zračenja na datoj talasnoj dužini. U ovom slučaju, stanje visoke energije također ima kratak vijek trajanja. U ultraljubičastom području, međutim, apsorbirana energija se obično ponovo pretvara u svjetlost; u nekim slučajevima može izazvati fotohemijske reakcije. Uobičajeni spektar transmisije vode uzet u kiveti od AgBr debljine oko 12 µm.

Apsorpciona spektroskopija, koja uključuje metode infracrvene, ultraljubičaste i NMR spektroskopije, daje informacije o prirodi prosječne molekule, ali, za razliku od masene spektrometrije, ne dozvoljava da se prepozna različite vrste molekule koji mogu biti prisutni u analiziranom uzorku.

Spektroskopija apsorpcije paramagnetne rezonancije je tehnika koja se može primijeniti na molekule koji sadrže atome ili ione s nesparenim elektronima. Apsorpcija dovodi do promjene orijentacije magnetskog momenta pri pomicanju iz jednog dopuštenog položaja u drugi. Prava apsorbovana frekvencija zavisi od magnetnog polja, pa se, variranjem polja, apsorpcija može odrediti iz neke mikrotalasne frekvencije.

Spektroskopija apsorpcije paramagnetne rezonancije je tehnika koja se može primijeniti na molekule koji sadrže atome ili ione s nesparenim elektronima. To dovodi do promjene orijentacije magnetnog momenta tokom prijelaza iz jednog dozvoljenog položaja u drugi. Prava apsorbovana frekvencija zavisi od magnetnog polja, pa se, variranjem polja, apsorpcija može odrediti iz neke mikrotalasne frekvencije.

U apsorpcionoj spektroskopiji, molekul na nižem energetskom nivou apsorbuje foton sa frekvencijom v, izračunatom iz jednačine, sa prelaskom na viši energetski nivo nivo energije. U konvencionalnom spektrometru, zračenje prolazi kroz uzorak, koji sadrži sve frekvencije infracrveni. Spektrometar bilježi količinu energije koja je prošla kroz uzorak kao funkciju frekvencije zračenja. Budući da uzorak apsorbira zračenje samo na frekvenciji zadanoj jednadžbom, spektrometarski snimač pokazuje ravnomjerno visoku transmisiju, osim onih frekvencija koje su određene iz jednačine gdje se opažaju apsorpcioni pojasevi.

U apsorpcionoj spektroskopiji određuje se promjena intenziteta elektromagnetnog zračenja koje stvara izvor, promjena koja se opaža kada zračenje prolazi kroz apsorbirajuću supstancu. U ovom slučaju, molekuli tvari stupaju u interakciju s elektromagnetnim zračenjem i apsorbiraju energiju.

Metoda apsorpcione spektroskopije koristi se za određivanje količine plinovite nečistoće iz mjerene površine pojedine apsorpcione linije, grupe linija ili cijele apsorpcione trake u spektru zračenja koje je prošlo određeni put u srednje. Izmjerene površine se upoređuju sa sličnim vrijednostima izračunatim na osnovu spektra apsorpcije dobijenih u laboratorijskim uslovima sa odmjerenim količinama izmjerenog plina.

U apsorpcionoj spektroskopiji, minimalni životni vijek koji je potreban da bi se uočili vidljivi spektri povećava se kako se energija tranzicije smanjuje.

Za apsorpcionu spektroskopiju možete koristiti izvor bijelo svjetlo u kombinaciji sa spektrografom za dobivanje fotografski snimljenog panoramskog spektra apsorbirajućih spojeva u reakcioni sistem. U drugim slučajevima, monohromator sa fotoelektričnim prijemnikom može se koristiti za skeniranje spektralnog opsega. Mnogi od proučavanih kratkotrajnih intermedijera imaju dovoljno veliku optičku apsorpciju zbog prisustva dozvoljenog elektronskog dipolnog prijelaza za više visoki nivo energije. U ovom slučaju, na primjer, triplet pobuđena stanja mogu se promatrati iz njihove triplet-tripletne apsorpcije. AT opšti slučaj pojedinačne apsorpcione trake imaju veću amplitudu što su uže. Kao rezultat ovog efekta, atomi su dozvolili apsorpcione linije sa posebno velikim amplitudama. U kvantitativnim mjerenjima apsorpcije obično se bira talasna dužina na kojoj se uočava jaka apsorpciona traka, a apsorpcione trake drugih jedinjenja se ne nalažu na nju.

U apsorpcionoj spektroskopiji nismo ograničeni toliko optičkim svojstvima zagrijanog gasa koji se proučava udarni talas, koliko svojstava izvora zračenja.

Upotreba apsorpcione spektroskopije povezana je sa potrošnjom malih količina ispitivane supstance.

Metoda kinetičke apsorpcione spektroskopije, koja pokriva elektronsku oblast spektra, dobro je poznata kao glavna metoda za praćenje koncentracija radikala, reaktanata i finalnih proizvoda nastalih kao rezultat fleš fotolize. Međutim, ova metoda je tek nedavno postala široko korištena u mnogim uređajima za mlazno pražnjenje. Zbog niske optičke gustoće, skeniranje prugastih spektra je nepoznato hemijski sistemi teško. Ova metoda je najpogodnija za proučavanje radikala čiji su elektronski apsorpcijski spektri dovoljno precizno određeni.

U instrumentima za apsorpcionu spektroskopiju, svjetlost iz izvora svjetlosti prolazi kroz monokromatizator i pada na kivetu s ispitivanom tvari. U praksi se obično određuje omjer intenziteta monokromatske svjetlosti koja je prošla kroz ispitni rastvor i kroz rastvarač ili posebno odabranu referentnu otopinu.

U apsorpcionoj spektroskopiji, snop monokromatske svjetlosti valne dužine A i frekvencije v prolazi kroz kivetu dužine l (u cm) koja sadrži otopinu apsorbirajućeg spoja koncentracije c (mol/l) u odgovarajućem rastvaraču.

Međutim, ovaj izvor svjetlosti se još uvijek nezasluženo malo koristi u atomskoj apsorpcionoj spektroskopiji. Prednost visokofrekventnih lampi je jednostavnost proizvodnje, jer je lampa obično staklena ili kvarcna posuda, koja sadrži malu količinu metala.

Plamen u atomskoj apsorpcionoj spektroskopiji je najčešći način atomizacije supstance. U atomskoj apsorpcionoj spektroskopiji plamen igra istu ulogu kao i kod plamene emisione spektroskopije, s jedinom razlikom što je u drugom slučaju plamen i sredstvo za pobuđivanje atoma. Stoga je prirodno da tehnika plamene atomizacije uzoraka bude atomska apsorpcija spektralna analiza u velikoj mjeri kopira tehniku ​​fotometrije emisije plamena.

Metoda atomske apsorpcione spektrometrije (AAS), atomska apsorpciona analiza (AAA) je metoda kvantitativne elementarne analize zasnovana na atomskim apsorpcionim (apsorpcionim) spektrima. Široko se koristi u analizi mineralnih materija za određivanje različitih elemenata.

Princip metode na osnovu činjenice da atomi svake hemijski element imaju strogo određene rezonantne frekvencije, zbog čega upravo na tim frekvencijama emituju ili upijaju svjetlost. To dovodi do činjenice da su u spektroskopu linije (tamne ili svijetle) vidljive na spektrima na određenim mjestima karakterističnim za svaku supstancu. Intenzitet linija zavisi od količine materije i njenog stanja. U kvantitativnoj spektralnoj analizi, sadržaj ispitivane supstance određuje se relativnim ili apsolutnim intenzitetom linija ili traka u spektrima.

Atomski spektri (apsorpcijski ili emisioni) se dobijaju prevođenjem supstance u stanje pare zagrijavanjem uzorka na 1000–10000 °C. Kao izvori pobuđivanja atoma u emisionoj analizi provodljivih materijala koriste se iskra, naizmjenični luk; dok se uzorak stavlja u krater jedne od ugljeničnih elektroda. Plamen ili plazma različitih gasova se široko koristi za analizu rastvora.

Prednosti metode:

jednostavnost,

visoka selektivnost,

· mali uticaj sastava uzorka na rezultate analize.

· Profitabilnost;

Jednostavnost i dostupnost opreme;

· Visoka produktivnost analize;

· Dostupnost veliki broj certificirane analitičke metode.

Literatura za upoznavanje sa AAS metodom

Ograničenja metode– nemogućnost istovremenog određivanja više elemenata pri korišćenju linijskih izvora zračenja i, po pravilu, potreba za prenošenjem uzoraka u rastvor.

U laboratoriji XCMA AAS metoda se koristi više od 30 godina. Uz njegovu pomoć odlučan CaO, MgO, MnO, Fe 2 O 3 , Ag, mikronečistoće; plamena fotometrijska metoda - Na 2 O, K 2 O.

Analiza atomske apsorpcije(atomska apsorpciona spektrometrija), kvantitativni metod. elementarna analiza spektrima atomske apsorpcije (apsorpcije).

Princip metode: Kroz sloj uzoraka atomske pare, dobijenih pomoću atomizera (vidi dolje), emituju se zračenje u rasponu od 190-850 nm. Kao rezultat apsorpcije svjetlosnih kvanta (apsorpcija fotona), atomi prelaze u pobuđena energetska stanja. Ovi prijelazi u atomskim spektrima odgovaraju tzv. rezonantne linije karakteristične za dati element. Mjera koncentracije elementa je optička gustoća ili atomska apsorpcija:

A \u003d lg (I 0 / I) \u003d KLC (prema zakonu Bouguer-Lambert-Beer),

gdje su I 0 i I intenzitet zračenja iz izvora prije i nakon prolaska kroz apsorbirajući sloj atomske pare.

K koeficijent proporcionalnosti (koeficijent vjerovatnoće prijelaza elektrona)

L je debljina apsorbirajućeg sloja atomske pare

C je koncentracija elementa koji treba odrediti

dijagram strujnog kola plameni atomski apsorpcijski spektrometar: 1-izvor zračenja; 2-plamen; 3-monohromne planine; 4-fotomultiplikator; 5-instrument za snimanje ili indikaciju.

Instrumenti za analizu atomske apsorpcije- atomski apsorpcioni spektrometri - precizni visoko automatizovani uređaji koji obezbeđuju ponovljivost uslova merenja, automatsko unošenje uzoraka i registraciju rezultata merenja. Neki modeli imaju ugrađene mikroračunare. Kao primjer, na slici je prikazan dijagram jednog od spektrometara. Najčešći izvori linijskog zračenja u spektrometrima su jednoelementne lampe sa šupljom katodom ispunjenom neonom. Za određivanje nekih hlapljivih elemenata (Cd, Zn, Se, Te, itd.), pogodnije je koristiti visokofrekventne lampe bez elektroda.

Prelazak analiziranog objekta u atomizirano stanje i formiranje upijajućeg parnog sloja određenog i reproducibilnog oblika vrši se u raspršivaču, najčešće u plamenu ili cijevnoj peći. Naib. Često se koriste plamenovi mješavine acetilena sa zrakom (maks. temperatura 2000°C) i acetilena sa N2O (2700°C). Plamenik sa mlaznicom u obliku proreza dužine 50-100 mm i širine 0,5-0,8 mm postavljen je duž optičke ose uređaja kako bi se povećala dužina upijajućeg sloja.

Cjevaste otporne peći najčešće se izrađuju od gustih vrsta grafita. Kako bi se spriječila difuzija pare kroz zidove i povećala izdržljivost, grafitne cijevi su prekrivene slojem plinootpornog pirolitičkog ugljika. Max. temperatura grejanja dostiže 3000 °C. Manje su uobičajene cijevne peći sa tankim zidovima od vatrostalnih metala (W, Ta, Mo), kvarca sa nihromskim grijačem. Kako bi se grafitne i metalne peći zaštitile od izgaranja na zraku, postavljaju se u poluhermetičke ili zatvorene komore kroz koje se upuhuje inertni plin (Ar, N2).

Unošenje uzoraka u apsorbirajuću zonu plamena ili peći vrši se na različite načine. Otopine se raspršuju (obično u plamen) pomoću pneumatskih atomizera, rjeđe ultrazvučnih. Prvi su jednostavniji i stabilniji u radu, iako su inferiorni u odnosu na druge u stupnju disperzije rezultirajućeg aerosola. Samo 5-15% najmanjih kapljica aerosola ulazi u plamen, a ostatak se prosijava u komori za miješanje i ispušta u odvod. Max. koncentracija čvrste supstance u rastvoru obično ne prelazi 1%. U suprotnom dolazi do intenzivnog taloženja soli u mlaznici gorionika.

Termičko isparavanje ostataka suvog rastvora je glavna metoda za uvođenje uzoraka u cevne peći. U ovom slučaju najčešće se uzorci isparavaju s unutrašnja površina peći; rastvor uzorka (volumen 5-50 µl) se ubrizgava mikropipetom kroz otvor za doziranje u zidu epruvete i suši na 100°C. Međutim, uzorci isparavaju sa zidova uz kontinuirano povećanje temperature apsorbirajućeg sloja, što uzrokuje nestabilnost rezultata. Kako bi se osiguralo da je temperatura peći konstantna u vrijeme isparavanja, uzorak se unosi u prethodno zagrijanu peć pomoću ugljične elektrode (grafitna kiveta), grafitnog lončića (Woodriffova peć), metalne sonde ili grafitne sonde. Uzorak se može ispariti sa platforme (grafitnog korita), koja je postavljena u sredini peći ispod otvora za doziranje. Kao rezultat, to znači Ako temperatura platforme zaostaje za temperaturom peći, koja se zagrijava brzinom od oko 2000 K/s, dolazi do isparavanja kada peć dostigne gotovo konstantnu temperaturu.

Za ubrizgavanje u plamen čvrste materije ili se koriste suvi ostaci rastvora, šipke, niti, čamci, lončići od grafita ili vatrostalnih metala, postavljeni ispod optičke ose uređaja, tako da para uzorka sa strujom plamenih gasova ulazi u zonu apsorpcije. Grafitni isparivači se u nekim slučajevima dodatno zagrijavaju električnom strujom. Za isključivanje krzna. gubitak praškastih uzoraka tokom procesa zagrijavanja, koriste se cilindrični isparivači tipa kapsule od poroznog grafita.

Ponekad se rastvori uzoraka tretiraju u reakcionoj posudi sa prisutnim redukcionim agensima, najčešće NaBH 4 . U ovom slučaju se Hg, na primjer, destilira u elementarnom obliku, As, Sb, Bi, itd. - u obliku hidrida, koji se strujom inertnog plina unose u raspršivač. Za monohromatizaciju zračenja koriste se prizme ili difrakcione rešetke; uz postizanje rezolucije od 0,04 do 0,4 nm.

U analizi atomske apsorpcije potrebno je isključiti superpoziciju zračenja atomizatora na zračenje izvora svjetlosti, uzeti u obzir moguću promjenu svjetline potonjeg, spektralne interferencije u atomizatoru uzrokovane djelomičnim raspršivanjem i apsorpcijom svjetlosti. čvrstim česticama i molekulima stranih komponenti uzorka. Za to se koriste različite metode, na primjer. zračenje izvora se modulira frekvencijom na koju je približno podešen uređaj za snimanje, koristi se dvosnovna shema ili optička shema sa dva izvora svjetlosti (sa diskretnim i kontinuiranim spektrom). max. efektivna shema zasnovana na Zeemanovom cijepanju i polarizaciji spektralnih linija u atomizeru. U ovom slučaju, svjetlost se prenosi kroz apsorbirajući sloj, okomito polariziran magnetsko polje, što omogućava da se uzme u obzir neselektivni spektralni šum koji dostiže vrijednosti A = 2 pri mjerenju stotina puta slabiji signala.

Prednosti atomske apsorpcione analize su jednostavnost, visoka selektivnost i mali uticaj sastava uzorka na rezultate analize. Ograničenja metode su nemogućnost istovremenog određivanja više elemenata pri korištenju linijskih izvora zračenja i, po pravilu, potreba za prenošenjem uzoraka u otopinu.

Atomska apsorpciona analiza se koristi za određivanje oko 70 elemenata (uglavnom arr. metala). Ne određivati ​​gasove i neke druge nemetale, čije rezonantne linije leže u vakuumskoj oblasti spektra (talasna dužina manja od 190 nm). Koristeći grafitnu peć, nemoguće je odrediti Hf, Nb, Ta, W i Zr, koji sa ugljikom formiraju karbide niske isparljivosti. Granice detekcije većine elemenata u rastvorima tokom atomizacije u plamenu, u grafitnoj peći su 100-1000 puta niže. Apsolutne granice detekcije u potonjem slučaju su 0,1-100 pg.

Relativna standardna devijacija u optimalnim uslovima merenja dostiže 0,2-0,5% za plamen i 0,5-1,0% za peć. U automatskom načinu rada, plameni spektrometar može analizirati do 500 uzoraka na sat, a spektrometar sa grafitnom peći - do 30 uzoraka. Obje opcije se često koriste u kombinaciji sa pre- odvajanje i koncentriranje ekstrakcijom, destilacijom, ionskom izmjenom, hromatografijom, što u nekim slučajevima omogućava indirektno određivanje nekih nemetala i organskih spojeva.

Metode analize atomske apsorpcije također se koriste za mjerenje nekih fizičkih. i fiz.-kem. vrijednosti - koeficijent difuzije atoma u plinovima, temperature plinovitog medija, topline isparavanja elemenata itd.; za proučavanje spektra molekula, proučavanje procesa povezanih sa isparavanjem i disocijacijom jedinjenja.

Stranica 1

Uvod.

Ljudska civilizacija kroz svoj razvoj, barem u materijalnoj sferi, neprestano koristi hemijske, biološke i fizičke zakone koji funkcionišu na našoj planeti kako bi zadovoljila ove ili one svoje potrebe. http://voronezh.pinskdrev.ru/ trpezarijski stolovi u Voronježu.

U davna vremena, to se dešavalo na dva načina: svjesno ili spontano. Naravno, zanima nas prvi način. Primjer svjesne upotrebe hemijske pojave može poslužiti:

Kiseljenje mlijeka za proizvodnju sira, pavlake i drugih mliječnih proizvoda;

Fermentacija nekih sjemenki kao što je hmelj u prisustvu kvasca da se dobije pivo;

Sublimacija polena nekih cvjetova (mak, konoplja) i dobijanje lijekova;

Fermentacija soka nekog voća (prvenstveno grožđa), koji sadrži mnogo šećera, rezultira vinom, sirćetom.

Vatra je uvela revolucionarne transformacije u ljudski život. Čovek je počeo da koristi vatru za kuvanje, u grnčarstvu, za obradu i topljenje metala, preradu drveta u ugalj, isparavanje i sušenje hrane za zimu.

Vremenom, ljudi imaju potrebu za sve više i više novih materijala. Hemija je pružila neprocjenjivu pomoć u njihovom stvaranju. Uloga hemije je posebno velika u stvaranju čistih i ultračistih materijala (u daljem tekstu skraćeno SCM). Ako u stvaranju novih materijala, po mom mišljenju, vodeću poziciju i dalje zauzimaju fizički procesi i tehnologije, proizvodnja SSM je često efikasnija i produktivnija uz pomoć hemijskih reakcija. Takođe je postojala potreba da se materijali zaštite od korozije, to je zapravo glavna uloga fizičkih i hemijskih metoda u građevinskim materijalima. Uz pomoć fizičko-hemijskih metoda proučavaju se fizičke pojave koje nastaju tokom hemijskih reakcija. Na primjer, u kolorimetrijskoj metodi mjeri se intenzitet boje ovisno o koncentraciji tvari, u konduktometrijskoj analizi mjeri se promjena električne provodljivosti otopina itd.

U ovom sažetku prikazane su neke vrste procesa korozije, kao i načini za njihovo rješavanje, što je glavni praktični zadatak fizičkih i kemijskih metoda u građevinskim materijalima.

Fizičke i hemijske metode analize i njihova klasifikacija.

Fizičko-hemijske metode analize (PCMA) zasnivaju se na korišćenju zavisnosti fizičkih svojstava supstanci (na primer, apsorpcija svetlosti, električna provodljivost, itd.) o njihovom hemijskom sastavu. Ponekad se u literaturi fizičke metode analize odvajaju od PCMA, čime se naglašava da PCMA koristi hemijsku reakciju, dok fizičke metode ne. Physical Methods analize i FHMA, uglavnom u Zapadna književnost, nazivaju se instrumentalnim, jer obično zahtijevaju upotrebu instrumenata, mjernih instrumenata. Instrumentalne metode analize u osnovi imaju svoju teoriju, različitu od teorije metoda hemijske (klasične) analize (titrimetrija i gravimetrija). Osnova ove teorije je interakcija materije sa protokom energije.

Kada se koristi PCMA za dobijanje informacija o hemijskom sastavu supstance, ispitni uzorak je izložen nekom obliku energije. Ovisno o vrsti energije u tvari, dolazi do promjene energetskog stanja njenih sastavnih čestica (molekula, jona, atoma), što se izražava u promjeni jednog ili drugog svojstva (na primjer, boje, magnetnih svojstava, itd.). Registracijom promjene ovog svojstva kao analitičkog signala dobija se informacija o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu objekta koji se proučava ili o njegovoj strukturi.

Prema vrsti energije perturbacije i izmjerenom svojstvu (analitički signal), FHMA se može klasificirati na sljedeći način (Tabela 2.1.1).

Pored onih navedenih u tabeli, postoje mnoge druge privatne FHMA koje ne potpadaju pod ovu klasifikaciju.

Optičke, hromatografske i potenciometrijske metode analize imaju najveću praktičnu primenu.

Tabela 2.1.1.

Vrsta energije perturbacije	Izmjerena nekretnina	Naziv metode	Naziv grupe metoda
Protok elektrona (elektrohemijske reakcije u rastvorima i na elektrodama)	Napon, potencijal	Potenciometrija	Elektrohemijski
	Struja polarizacije elektroda	Voltamperometrija, polarografija
	Snaga struje	Amperometrija
	Otpornost, provodljivost	Konduktometrija
	Impedansa (izmjenična otpornost, kapacitivnost)	Oscilometrija, visokofrekventna konduktometrija
	Količina električne energije	Kulometrija
	Masa proizvoda elektrohemijske reakcije	Elektrogravimetrija
	Dielektrična konstanta	dielcometrija
Elektromagnetno zračenje	Talasna dužina i intenzitet spektralne linije u infracrvenom, vidljivom i ultraljubičastom dijelu spektra =10-3,10-8 m	Optičke metode (IR - spektroskopija, analiza atomske emisije, atomska apsorpciona analiza, fotometrija, luminescentna analiza, turbidimetrija, nefelometrija)	Spektralno
	Isto, u rendgenskom području spektra =10-8,10-11 m	Rentgenski fotoelektron, Auger spektroskopija