Fysiske forskningsmetoder i konstruksjon. Fysisk-kjemiske metoder for materialforskning

Introduksjon

Gjennom hele utviklingen bruker menneskeheten lovene i kjemi og fysikk i sine aktiviteter for å løse ulike problemer og tilfredsstille mange behov.

I antikken foregikk denne prosessen på to forskjellige måter: bevisst, basert på akkumulert erfaring, eller ved en tilfeldighet. TIL slående eksempler bevisst anvendelse av kjemiens lover inkluderer: suring av melk, og dens påfølgende bruk for tilberedning av osteprodukter, rømme og andre ting; gjæring av visse frø, for eksempel humle, og påfølgende produksjon av bryggeprodukter; gjæring av juice av forskjellige frukter (hovedsakelig druer, som inneholder stort antall sukker), som til slutt gir vinprodukter og eddik.

Oppdagelsen av ild var en revolusjon i menneskehetens liv. Folk begynte å bruke ild til å lage mat, til varmebehandling av leireprodukter, til å arbeide med ulike metaller, for produksjon av trekull og mye mer.

Over tid har folk utviklet et behov for mer funksjonelle materialer og produkter basert på dem. Stor innflytelse Deres kunnskap om kjemi bidro til å løse dette problemet. Kjemi spilte en spesielt viktig rolle i produksjonen av rene og ultrarene stoffer. Hvis i produksjonen av nye materialer, først og fremst tilhører fysiske prosesser og teknologier basert på dem, er syntesen av ultrarene stoffer som regel lettere oppnådd ved hjelp av kjemiske reaksjoner [

Ved hjelp av fysisk-kjemiske metoder studerer de fysiske fenomener som oppstår under kjemiske reaksjoner. For eksempel, i den kolorimetriske metoden, er fargeintensiteten målt avhengig av konsentrasjonen av stoffet i den konduktometriske metoden, er endringen i elektrisk ledningsevne av løsninger målt optiske egenskaper systemet og dets sammensetning.

Fysisk-kjemiske metoder Forskningen brukes også til en omfattende studie av byggematerialer. Bruken av slike metoder gir mulighet for en grundig studie av sammensetningen, strukturen og egenskapene til byggematerialer og produkter. Diagnostikk av sammensetningen, strukturen og egenskapene til et materiale på forskjellige stadier av produksjonen og driften gjør det mulig å utvikle progressive ressursbesparende og energibesparende teknologier [

Ovennevnte arbeid viser den generelle klassifiseringen av fysisk-kjemiske metoder for å studere byggematerialer (termografi, radiografi, optisk mikroskopi, elektronmikroskopi, atomemisjonsspektroskopi, molekylær absorpsjonsspektroskopi, kolorimetri, potensiometri) og metoder som termisk og røntgenfaseanalyse, samt metoder for å studere porøs struktur [ Byggehåndbok [ Elektronisk ressurs] // By- og bygdedepartementet Hviterussisk SSR. URL: www.bibliotekar.ru/spravochnick-104-stroymaterialy.html].

1. Klassifisering av fysiske og kjemiske forskningsmetoder

Fysisk-kjemiske forskningsmetoder er basert på nær forbindelse fysiske egenskaper ved materialet (for eksempel evne til å absorbere lys, elektrisk ledningsevne, etc.) og strukturell organisering materiale fra et kjemisk synspunkt. Det hender at fra fysiske og kjemiske metoder, som f.eks egen gruppe skille rent fysiske forskningsmetoder, og dermed vise at fysisk-kjemiske metoder vurderer en viss kjemisk reaksjon, i motsetning til rent fysiske. Disse forskningsmetodene kalles ofte instrumentelle fordi de innebærer bruk av ulike måleapparater. Instrumentelle forskningsmetoder har som regel sin egen teoretiske base, denne basen er i strid med den teoretiske basen kjemisk forskning(titrimetrisk og gravimetrisk). Den var basert på samspillet mellom materie og ulike energier.

I løpet av fysisk og kjemisk forskning For å få de nødvendige dataene om sammensetningen og strukturelle organiseringen av et stoff, blir en eksperimentell prøve utsatt for påvirkning av en slags energi. Avhengig av typen energi i et stoff, endres energitilstandene til dets bestanddeler (molekyler, ioner, atomer). Dette kommer til uttrykk i en endring i et bestemt sett med egenskaper (for eksempel farge, magnetiske egenskaper og andre). Som et resultat av registrering av endringer i egenskapene til et stoff, innhentes data om den kvalitative og kvantitative sammensetningen av testprøven, eller data om dens struktur.

I henhold til typen påvirkningsenergier og egenskaper som studeres, er fysisk-kjemiske forskningsmetoder delt inn på følgende måte.

Tabell 1. Klassifisering av fysisk-kjemiske metoder

I tillegg til de som er gitt i denne tabellen, er det ganske mange private fysisk-kjemiske metoder som ikke passer til denne klassifiseringen. Faktisk er de mest aktivt brukte optiske, kromatografiske og potensiometriske metoder for å studere egenskapene, sammensetningen og strukturen til en prøve [ Galuso, G.S. Metoder for å studere byggematerialer: læremiddel/ G.S. Galuzo, V.A. Bogdan, O.G. Galuzo, V.I. Kovazhnkova. – Minsk: BNTU, 2008. – 227 s.].

2. Termiske analysemetoder

Termisk analyse brukes aktivt til å studere ulike byggematerialer - mineral og organisk, naturlig og syntetisk. Bruken hjelper til med å identifisere tilstedeværelsen av en bestemt fase i et materiale, bestemme interaksjonsreaksjoner, dekomponering og, i unntakstilfeller, få informasjon om den kvantitative sammensetningen av den krystallinske fasen. Evnen til å få informasjon om fasesammensetningen til sterkt dispergerte og kryptokrystallinske polymineralblandinger uten å dele seg i polymineralfraksjoner er en av hovedfordelene med teknikken. Termiske forskningsmetoder er basert på reglene for konstant kjemisk sammensetning og fysiske egenskaper stoffer, under spesifikke forhold, og blant annet på lovene om korrespondanse og karakteristikk.

Korrespondanseloven sier at en spesifikk termisk effekt kan korreleres med enhver faseendring i en prøve.

Og karakteristikkloven sier at termiske effekter er individuelle for hvert kjemisk stoff.

Hovedideen med termisk analyse er å studere transformasjonene som skjer under forhold med økende temperatur i systemer av stoffer eller spesifikke forbindelser under forskjellige fysiske og kjemiske prosesser, i henhold til de termiske effektene som følger med dem.

Fysiske prosesser er vanligvis basert på transformasjon strukturell struktur, eller den aggregerte tilstanden til systemet ved sin konstant kjemisk sammensetning.

Kjemiske prosesser fører til en transformasjon av den kjemiske sammensetningen av systemet. Disse inkluderer direkte dehydrering, dissosiasjon, oksidasjon, utvekslingsreaksjoner og andre.

Opprinnelig ble termiske kurver for kalkstein og leirholdige bergarter oppnådd av den franske kjemikeren Henri Louis Le Chatelier i 1886 - 1887. I Russland var akademiker N.S. en av de første som studerte termiske forskningsmetoder. Kurnakov (i 1904). Oppdaterte modifikasjoner av Kurnakov-pyrometeret (et apparat for automatisk registrering av varme- og kjølekurver) brukes den dag i dag i de fleste forskningslaboratorier. Når det gjelder egenskapene som studeres som et resultat av oppvarming eller avkjøling, skilles følgende metoder for termisk analyse ut: differensiell termisk analyse (DTA) - endringen i energien til prøven som studeres bestemmes; termogravimetri - masseforandringer; dilatometry - volumet endres; gassvolumetri - sammensetningen av gassfasen endres; elektrisk ledningsevne - endringer i elektrisk motstand.

Under termisk forskning kan flere studiemetoder brukes parallelt, som hver registrerer endringer i energi, masse, volum og andre egenskaper. En omfattende studie av egenskapene til systemet under oppvarmingsprosessen bidrar til å studere mer detaljert og grundigere det grunnleggende om prosessene som forekommer i det.

En av de viktigste og mest brukte metodene er differensiell termisk analyse.

Svingninger i temperaturkarakteristikkene til et stoff kan oppdages ved sekvensiell oppvarming. Så digelen er fylt med eksperimentelt materiale (sammenbrudd), plassert i en elektrisk ovn, som varmes opp, og temperaturavlesningene til systemet som studeres begynner å bli tatt ved hjelp av et enkelt termoelement koblet til et galvanometer.

Registrering av endringer i entalpien til et stoff skjer ved hjelp av et vanlig termoelement. Men på grunn av det faktum at avvikene som kan sees på temperaturkurven ikke er veldig store, er det bedre å bruke et differensielt termoelement. Opprinnelig ble bruken av dette termoelementet foreslått av N.S. Kurnakov. En skjematisk representasjon av et selvregistrerende pyrometer er presentert i figur 1.

Dette skjematiske bildet viser et par vanlige termoelementer, som er koblet til hverandre med de samme endene, og danner det såkalte kalde krysset. De resterende to endene er koblet til apparatet, noe som gjør det mulig å registrere transformasjoner i kretsen for elektromotorisk kraft (EMF) som vises som et resultat av en økning i temperaturen til termoelementets varme kryss. En hot junction er lokalisert i prøven som studeres, og den andre er lokalisert i referansestoffet.

Figur 1. Skjematisk representasjon av et differensielt og enkelt termoelement: 1 – elektrisk ovn; 2 - blokk; 3 - eksperimentell prøve under studie; 4 - referansestoff (standard); 5 - termoelement varmt kryss; 6 - kaldt kryss av termoelement; 7 - galvanometer for fiksering av DTA-kurven; 8 – galvanometer for registrering av temperaturkurven.

Hvis, for systemet som studeres, noen transformasjoner som er assosiert med absorpsjon eller frigjøring av termisk energi er hyppige, kan temperaturindikatoren på et gitt tidspunkt være mye høyere eller lavere sammenlignet med referansestoffet for sammenligning. Denne temperaturforskjellen fører til en forskjell i EMF-verdien og, som en konsekvens, til et avvik av DTA-kurven opp eller ned fra null eller grunnlinjen. Nulllinjen er linjen parallelt med x-aksen og trukket gjennom begynnelsen av DTA-kurven dette kan sees i figur 2.

Figur 2. Skjematisk over enkle og differensielle (DTA) temperaturkurver.

Faktisk, ofte etter fullføringen av en termisk transformasjon, går ikke DTA-kurven tilbake til nulllinjen, men fortsetter å løpe parallelt med den eller i en viss vinkel. Denne linjen kalles grunnlinjen. Denne avviket mellom basis- og nulllinjene forklares av forskjellige termofysiske egenskaper ved det studerte stoffsystemet og referansesubstansen for sammenligning [].

3. Røntgenfaseanalysemetoder

Røntgenmetoder for å studere byggematerialer er basert på eksperimenter der røntgenstråler brukes. Denne klassen av forskning brukes aktivt til å studere den mineralogiske sammensetningen av råvarer og sluttprodukter, faseomdannelser i stoffet på ulike stadier av deres prosessering til bruksklare produkter og under drift, og blant annet for å identifisere arten av den strukturelle strukturen til krystallgitteret.

Røntgendiffraksjonsteknikken som brukes til å bestemme parametrene til enhetscellen til et stoff kalles røntgendiffraksjonsteknikken. Teknikken som følges i studiet av fasetransformasjoner og den mineralogiske sammensetningen av stoffer kalles røntgenfaseanalyse. Røntgenfaseanalyse (XRF) metoder har stor verdi når man studerer mineralske byggematerialer. Basert på resultatene av røntgenfasestudier innhentes informasjon om tilstedeværelsen av krystallinske faser og deres mengder i prøven. Det følger av dette at det er en kvantitativ og kvalitative metoder analyse.

Formålet med kvalitativ røntgenfaseanalyse er å få informasjon om arten av den krystallinske fasen til stoffet som studeres. Metodene er basert på det faktum at hvert spesifikt krystallinsk materiale har et spesifikt røntgenmønster med sitt eget sett av diffraksjonsmaksima. I dag finnes det pålitelige røntgendata om de fleste kjent for mennesket krystallinske stoffer.

Oppgaven med kvantitativ sammensetning er å få informasjon om mengden av spesifikke faser i polyfase polykrystallinske stoffer den er basert på avhengigheten av intensiteten av diffraksjonsmaksima prosentdel fase under utredning. Når mengden av en hvilken som helst fase øker, blir refleksjonsintensiteten større. Men for polyfasestoffer er forholdet mellom intensiteten og mengden av denne fasen tvetydig, siden størrelsen på refleksjonsintensiteten til en gitt fase avhenger ikke bare av dens prosentvise innhold, men også av verdien av μ, som karakteriserer hvor mye røntgenstrålen dempes som et resultat av å passere gjennom materialet som studeres. Denne dempningsverdien til materialet som studeres avhenger av dempningsverdiene og antall andre faser som også er inkludert i sammensetningen. Det følger av dette at hver teknikk kvantitativ analyse må på en eller annen måte ta hensyn til effekten av dempningsindeksen, som et resultat av endringer i sammensetningen av prøvene, som bryter med den direkte proporsjonaliteten mellom mengden av denne fasen og graden av intensiteten av dens diffraksjonsrefleksjon [ Makarova, I.A. Fysisk-kjemiske metoder for å studere byggematerialer: lærebok / I.A. Makarova, N.A. Lokhova. – Bratsk: Iz-vo BrGU, 2011. – 139 s. ].

Alternativer for å oppnå røntgenbilder er delt inn, basert på metoden for å registrere stråling, i fotografiske og diffraktometriske. Bruk av metoder av den første typen innebærer bilderegistrering røntgenstråling, under påvirkning av hvilken mørkning av den fotografiske emulsjonen observeres. Diffraktometriske metoder for å oppnå røntgenmønstre, som er implementert i diffraktometre, skiller seg fra fotografiske metoder ved at diffraksjonsmønsteret oppnås sekvensielt over tid [ Pindyuk, T.F. Metoder for å studere byggematerialer: retningslinjer for laboratoriearbeid / T.F. Pindyuk, I.L. Chulkova. – Omsk: SibADI, 2011. – 60 s. ].

4. Metoder for å studere porøs struktur

Byggematerialer har en heterogen og ganske kompleks struktur. Til tross for variasjonen og opprinnelsen til materialer (betong, silikatmaterialer, keramikk), inneholder deres struktur alltid forskjellige porer.

Begrepet "porøsitet" forbinder de to viktigste egenskapene til et materiale - geometri og struktur. Den geometriske egenskapen er det totale volumet av porene, størrelsen på porene og deres totale spesifikke overflateareal, som bestemmer porøsiteten til strukturen (storporøst materiale eller finporøst). Strukturelle egenskaper– dette er typen porer og deres fordeling etter størrelse. Disse egenskapene varierer avhengig av strukturen til den faste fasen (granulær, cellulær, fibrøs, etc.) og strukturen til selve porene (åpne, lukkede, kommuniserende).

Hovedinnflytelsen på størrelsen og strukturen til porøse formasjoner utøves av egenskapene til råstoffet, sammensetningen av blandingen, behandle produksjon. De viktigste egenskapene er partikkelstørrelsesfordelingen, bindemidlets volum, fuktighetsprosent i råstoffet, metoder for støping av sluttproduktet, dannelsesbetingelser endelig struktur(sintring, fusjon, hydrering og annet). Sterk innflytelse Strukturen til porøse formasjoner påvirkes av spesialiserte tilsetningsstoffer, såkalte modifiseringsmidler. Disse inkluderer for eksempel drivstoff og burn-out additiver, som tilsettes ladningen under produksjon av keramiske produkter, og i tillegg til overflateaktive stoffer, brukes de både i keramikk og i sementbaserte materialer. Porene varierer ikke bare i størrelse, men også i form, og kapillærkanalene de lager har et variabelt tverrsnitt langs hele lengden. Alle poreformasjoner er klassifisert i lukkede og åpne, samt kanaldannende og blindveier.

Strukturen til porøse byggematerialer er preget av kombinasjonen av alle typer porer. Porøse formasjoner kan være tilfeldig plassert inne i et stoff, eller de kan ha en viss orden.

Porekanaler har en veldig kompleks struktur. Lukkede porer er avskåret fra åpne porer og er på ingen måte forbundet med hverandre eller med ytre miljø. Denne klassen av porer er ugjennomtrengelig for gassformige stoffer og væsker og anses som et resultat ikke som farlig. Åpne kanaldannende og blindveis porøse formasjoner vannmiljø kan fylles ut uten problemer. Fyllingen deres fortsetter i henhold til forskjellige mønstre og avhenger hovedsakelig av tverrsnittsarealet og lengden til porekanalene. Som et resultat av vanlig metning kan ikke alle porøse kanaler fylles med vann, for eksempel fylles de minste porene på mindre enn 0,12 mikron aldri på grunn av tilstedeværelsen av luft i dem. Store porøse formasjoner fylles veldig raskt, men i luften, som følge av den lave verdien kapillærkrefter, vannet holdes dårlig tilbake i dem.

Volumet av vann som absorberes av et stoff avhenger av størrelsen på de porøse formasjonene og av adsorpsjonsegenskapene til selve materialet.

For å bestemme forholdet mellom den porøse strukturen og fysiske og kjemiske egenskaper Det er ikke nok å bare kjenne til materialet generell betydning volum av porøse formasjoner. Generell porøsitet bestemmer ikke strukturen til stoffet her viktig rolle spiller prinsippet om porestørrelsesfordeling og tilstedeværelsen av porøse formasjoner av en bestemt størrelse.

Geometriske og strukturelle indikatorer for porøsitet til byggematerialer er forskjellige både på mikro- og makronivå. G.I. Gorchakov og E.G. Muradov utviklet en eksperimentell og beregningsmetodikk for å identifisere den generelle porøsiteten og gruppeporøsiteten til betongmaterialer. Grunnlaget for teknikken er at under forsøket bestemmes hydratiseringsnivået av sement i betong ved hjelp av kvantitativ røntgenundersøkelse eller tilnærmet ved volumet av vann ω bundet i sementbindemidlet som ikke fordampet under tørking ved en temperatur på 150°C. ºC: α = ω/ ω maks .

Volumet av bundet vann med fullstendig hydratisering av sement er i området 0,25 – 0,30 (til massen av ukalsinert sement).

Deretter, ved hjelp av formlene fra tabell 1, beregnes porøsiteten til betongen avhengig av nivået av sementhydrering, forbruket i betong og vannmengden [ Makarova, I.A. Fysisk-kjemiske metoder for å studere byggematerialer: lærebok / I.A. Makarova, N.A. Lokhova. – Bratsk: Iz-vo BrGU, 2011. – 139 s. ].

Fotokolorimetri

Kvantitativ bestemmelse av konsentrasjonen av et stoff ved lysabsorpsjon i det synlige og nær ultrafiolette området av spekteret. Lysabsorpsjon måles ved hjelp av fotoelektriske kolorimetre.

Spektrofotometri (absorpsjon). En fysisk-kjemisk metode for å studere løsninger og faste stoffer, basert på studiet av absorpsjonsspektra i de ultrafiolette (200–400 nm), synlige (400–760 nm) og infrarøde (>760 nm) områdene av spekteret. Hovedavhengigheten som er studert i spektrofotometri er avhengigheten av absorpsjonsintensiteten til innfallende lys på bølgelengden. Spektrofotometri er mye brukt i studiet av struktur og sammensetning ulike forbindelser(komplekser, fargestoffer, analytiske reagenser, etc.), for kvalitativ og kvantitativ bestemmelse av stoffer (bestemmelse av sporstoffer i metaller, legeringer, tekniske objekter). Spektrofotometriske instrumenter – spektrofotometre.

Absorpsjonsspektroskopi, studerer absorpsjonsspektra av elektromagnetisk stråling av atomer og molekyler av materie i forskjellige aggregeringstilstander. Intensiteten til lysstrømmen når den passerer gjennom mediet som studeres, avtar på grunn av omdannelsen av strålingsenergi til ulike former indre energi av et stoff og (eller) inn i energien til sekundær stråling. Absorpsjonskapasiteten til et stoff avhenger av elektronisk struktur atomer og molekyler, samt på bølgelengden og polariseringen til det innfallende lyset, lagtykkelse, stoffkonsentrasjon, temperatur og tilstedeværelsen av elektriske og magnetiske felt. For å måle absorbansen brukes spektrofotometre - optiske instrumenter som består av en lyskilde, et prøvekammer, en monokromator (prisme eller diffraksjonsgitter) og en detektor. Signalet fra detektoren registreres i form av en kontinuerlig kurve (absorpsjonsspektrum) eller i form av tabeller dersom spektrofotometeret har en innebygd datamaskin.

1. Bouguer-Lambert lov: hvis mediet er homogent og materielaget er vinkelrett på den innfallende parallelle lysstrømmen, så

I = I 0 exp (- kd),

hvor henholdsvis I 0 og I-intensiteter. innfallende og passerte gjennom lyset, d-lagstykkelse, k-koeffisient. absorpsjon, som ikke er avhengig av tykkelsen på det absorberende laget og intensiteten til den innfallende strålingen. For å karakterisere absorberingen. evner bruker mye koeffisienter. utryddelse eller lysabsorpsjon; k" = k/2.303 (i cm -1) og optisk tetthet A = log I 0 /I, samt transmittansverdien T = I/I 0. Avvik fra loven er kun kjent for lysstrømmer med ekstremt høy intensitet (til laserstråling). Coef. k avhenger av bølgelengden til det innfallende lyset, fordi dens verdi bestemmes elektronisk konfigurasjon molekyler og atomer og sannsynlighetene for overganger mellom deres elektroniske nivåer. Settet med overganger skaper et absorpsjonsspektrum som er karakteristisk for et gitt stoff.

2. Beers lov: hvert molekyl eller atom, uavhengig av den relative plasseringen til andre molekyler eller atomer, absorberer den samme brøkdelen av strålingsenergien. Avvik fra denne loven indikerer dannelsen av dimerer, polymerer, assosiasjoner og kjemiske reaksjoner. interaksjon av absorberende partikler.

3. Kombinert Bouguer-Lambert-Beer-lov:

A = log(I 0 /I) = КLC

L – tykkelsen på det absorberende laget av atomdamp

Absorpsjonsspektroskopi er basert på bruken et stoffs evne til selektivt å absorbere lysenergi.

Absorpsjonsspektroskopi studerer absorpsjonskapasiteten til stoffer. Absorpsjonsspekteret (absorpsjonsspekteret) oppnås som følger: stoffet (prøven) plasseres mellom spektrometeret og en kilde for elektromagnetisk stråling med en viss rekkevidde hyppighet Et spektrometer måler intensiteten av lys som passerer gjennom en prøve sammenlignet med intensiteten til den opprinnelige strålingen ved en gitt bølgelengde. I dette tilfellet har høyenergitilstanden også kort levetid. I det ultrafiolette området blir den absorberte energien vanligvis tilbake til lys; i noen tilfeller kan det indusere fotokjemiske reaksjoner. Et typisk vannoverføringsspektrum tatt i en AgBr-kyvette med en tykkelse på omtrent 12 µm.

Absorpsjonsspektroskopi, som inkluderer infrarød, ultrafiolett og NMR-spektroskopi, gir informasjon om naturen til det gjennomsnittlige molekylet, men tillater ikke gjenkjenning, i motsetning til massespektrometri. ulike typer molekyler som kan være tilstede i prøven som analyseres.

Paramagnetisk resonansabsorpsjonsspektroskopi er en teknikk som kan brukes på molekyler som inneholder atomer eller ioner med uparrede elektroner. Absorpsjon fører til en endring i orienteringen til det magnetiske momentet når man beveger seg fra en tillatt posisjon til en annen. Den sanne absorberte frekvensen avhenger av magnetfeltet, og derfor, ved å variere feltet, kan absorpsjonen bestemmes fra en eller annen mikrobølgefrekvens.

Paramagnetisk resonansabsorpsjonsspektroskopi er en teknikk som kan brukes på molekyler som inneholder atomer eller ioner med uparrede elektroner. Dette fører til en endring i orienteringen til det magnetiske momentet når man beveger seg fra en tillatt posisjon til en annen. Den sanne absorberte frekvensen avhenger av magnetfeltet, og derfor, ved å variere feltet, kan absorpsjonen bestemmes fra en eller annen mikrobølgefrekvens.

I absorpsjonsspektroskopi absorberer et molekyl i et lavere energinivå et foton med frekvensen v, beregnet av ligningen, og beveger seg til en høyere energinivå. I et konvensjonelt spektrometer er stråling som inneholder alle frekvenser i infrarød region. Spektrometeret registrerer mengden energi som passerer gjennom prøven som en funksjon av frekvensen til strålingen. Siden prøven bare absorberer stråling med en frekvens bestemt av ligningen, viser spektrometeropptakeren jevn høy transmittans, bortsett fra i området for de frekvensene som er bestemt fra ligningen hvor absorpsjonsbånd observeres.

Absorpsjonsspektroskopi bestemmer endringen i intensiteten til elektromagnetisk stråling skapt av en kilde, en endring som observeres når strålingen passerer gjennom et stoff som absorberer den. I dette tilfellet samhandler stoffets molekyler med elektromagnetisk stråling og absorberer energi.

Absorpsjonsspektroskopimetoden brukes til å bestemme mengden av en gassforurensning fra det målte arealet til en individuell absorpsjonslinje, en gruppe linjer eller et helt absorpsjonsbånd i strålingsspekteret som har passert en bestemt bane i mediet . De målte områdene sammenlignes med tilsvarende verdier beregnet på grunnlag av data om absorpsjonsspektra innhentet i laboratorieforhold med doserte mengder målt gass.

Ved absorpsjonsspektroskopi øker minimumslevetiden som kreves før merkbare spektre kan observeres når overgangsenergien avtar.

For absorpsjonsspektroskopi kan en kilde brukes hvitt lys i kombinasjon med en spektrograf for å oppnå et fotografisk registrert undersøkelsesspektrum av absorberende forbindelser i reaksjonssystem. I andre tilfeller kan en monokromator med fotoelektrisk detektor brukes til å skanne spektralområdet. Mange kortlivede mellomprodukter som studeres har ganske høy optisk absorpsjon på grunn av tilstedeværelsen av en tillatt elektronisk dipolovergang til en høyere høyt nivå energi. I dette tilfellet kan for eksempel tripletteksiterte tilstander observeres ved deres triplett-triplett-absorpsjon. I generell sak Individuelle absorpsjonsbånd har større amplitude jo smalere de er. Som et resultat av denne effekten har atomer tillatt absorpsjonslinjer med spesielt store amplituder. I kvantitative absorpsjonsmålinger velges vanligvis en bølgelengde der et sterkt absorpsjonsbånd observeres og ikke overlappes av absorpsjonsbåndene til andre forbindelser.

I absorpsjonsspektroskopi er vi ikke begrenset så mye av de optiske egenskapene til gassen som studeres, oppvarmet sjokkbølge, hvor mange egenskaper av strålingskilden.

Bruk av absorpsjonsspektroskopi innebærer inntak av små mengder av stoffet som studeres.

Kinetisk absorpsjonsspektroskopi, som dekker det elektroniske området av spekteret, er velkjent som hovedmetoden for å overvåke konsentrasjoner av radikaler, reaktanter og sluttprodukter dannet som et resultat av pulserende fotolyse. Imidlertid har denne metoden først nylig blitt mye brukt i mange jetutslippsinstallasjoner. På grunn av lave optiske tettheter, skanning av stripete spektra av ukjente kjemiske systemer vanskelig. Denne metoden er mest egnet for å studere radikaler hvis elektroniske absorpsjonsspektra er bestemt ganske nøyaktig.

I passerer lys fra en belysningskilde gjennom en monokromatisator og faller på en kyvette med stoffet som studeres. I praksis bestemmes vanligvis forholdet mellom intensitetene av monokromatisk lys som passerer gjennom testløsningen og gjennom løsningsmidlet eller en spesielt valgt referanseløsning.

I absorpsjonsspektroskopimetoden passerer en stråle av monokromatisk lys med bølgelengde A og frekvens v gjennom en kyvette med lengde l (i cm) som inneholder en løsning av en absorberende forbindelse med konsentrasjon c (mol/l) i et egnet løsningsmiddel.

Imidlertid er denne lyskilden fortsatt ufortjent lite brukt i atomabsorpsjonsspektroskopi. Fordelen med høyfrekvente lamper er deres enkle produksjon, siden lampen vanligvis er en glass- eller kvartsbeholder som inneholder en liten mengde metall.

Flamme i atomabsorpsjonsspektroskopi er den vanligste metoden for å forstøve et stoff. I atomabsorpsjonsspektroskopi spiller flammen samme rolle som i flammeemisjonsspektroskopi, med den eneste forskjellen at i sistnevnte tilfelle er flammen også et middel for å spennende atomer. Derfor er det naturlig at teknikken for flammeatomisering av prøver i atomabsorpsjon spektral analyse kopierer i stor grad teknikken med flammeemisjonsfotometri.

Atomabsorpsjonsspektrometri (AAS) metode, atomabsorpsjonsanalyse (AAA) er en metode for kvantitativ elementanalyse basert på atomabsorpsjon (absorpsjon) spektra. Mye brukt i mineralanalyse for å bestemme ulike grunnstoffer.

Prinsippet for operasjon av metoden basert på det faktum at atomene til hver kjemisk element har strengt definerte resonansfrekvenser, som et resultat av at det er ved disse frekvensene de sender ut eller absorberer lys. Dette fører til at i et spektroskop er linjer (mørke eller lyse) synlige på spektrene på visse steder som er karakteristiske for hvert stoff. Intensiteten til linjene avhenger av mengden av stoffet og dens tilstand. Ved kvantitativ spektralanalyse bestemmes innholdet av stoffet som studeres av den relative eller absolutte intensiteten til linjer eller bånd i spektrene.

Atomspektra (absorpsjon eller emisjon) oppnås ved å overføre stoffet til damptilstand ved å varme opp prøven til 1000–10000 °C. En gnist eller en vekselstrømbue brukes som kilder til eksitasjon av atomer i utslippsanalysen av ledende materialer; i dette tilfellet plasseres prøven i krateret til en av karbonelektrodene. Flammer eller plasmaer av forskjellige gasser er mye brukt for å analysere løsninger.

Fordeler med metoden:

· enkelhet,

· høy selektivitet,

· liten påvirkning av prøvesammensetningen på analyseresultatene.

· Økonomisk;

· Enkelhet og tilgjengelighet for utstyr;

· Høy ytelsesanalyse;

Tilgjengelighet stort antall sertifiserte analysemetoder.

· Litteratur for kjennskap til AAS-metoden

Metodens begrensninger– umuligheten av samtidig bestemmelse av flere elementer ved bruk av lineære strålingskilder og, som regel, behovet for å overføre prøver til løsning.

I laboratoriet HSMA AAS-metoden har vært brukt i mer enn 30 år. Med hans hjelp er bestemt CaO, MgO, MnO, Fe 2 O 3, Ag, spor urenheter; flammefotometrisk metode - Na 2 O, K 2 O.

Atomabsorpsjonsanalyse(atomabsorpsjonsspektrometri), kvantitativ metode. elementær analyse basert på atomabsorpsjon (absorpsjon) spektra.

Prinsippet for metoden: Stråling i området 190-850 nm føres gjennom et lag med atomdamp av prøver oppnådd ved bruk av en forstøver (se nedenfor). Som et resultat av absorpsjon av lyskvanter (fotonabsorpsjon), går atomer over i eksiterte energitilstander. Disse overgangene i atomspektra tilsvarer den såkalte. resonanslinjer som er karakteristiske for et gitt element. Et mål på konsentrasjonen av et element - optisk tetthet eller atomabsorpsjon:

A = log(I 0 /I) = KLC (i henhold til Bouguer-Lambert-Beer-loven),

hvor I 0 og I er intensiteten av stråling fra kilden, henholdsvis før og etter passering gjennom det absorberende laget av atomdamp.

K-proporsjonalitetskoeffisient (elektronisknt)

L - tykkelsen på det absorberende laget av atomdamp

C – konsentrasjon av grunnstoffet som bestemmes

Skjematisk diagram flamme atomabsorpsjonsspektrometer: 1-strålingskilde; 2-flamme; 3-monokrom av fjell; 4-fotomultiplikator; 5-opptaks- eller indikeringsenhet.

Instrumenter for atomabsorpsjonsanalyse- Atomabsorpsjonsspektrometre - presisjon, høyautomatiserte enheter som sikrer reproduserbarhet av måleforhold, automatisk innføring av prøver og registrering av måleresultater. Noen modeller har innebygde mikrodatamaskiner. Som et eksempel viser figuren et diagram av et av spektrometrene. Kilden til linjestråling i spektrometre er oftest enkeltelementslamper med en hul katode fylt med neon. For å bestemme noen svært flyktige elementer (Cd, Zn, Se, Te, etc.), er det mer praktisk å bruke høyfrekvente elektrodeløse lamper.

Overføringen av det analyserte objektet til en forstøvet tilstand og dannelsen av et absorberende damplag av en viss og reproduserbar form utføres i en forstøver - vanligvis i en flamme eller en rørformet ovn. Naib. flammer av blandinger av acetylen med luft (maks. temperatur 2000°C) og acetylen med N2O (2700°C) brukes ofte. En brenner med en sporlignende dyse 50-100 mm lang og 0,5-0,8 mm bred er installert langs enhetens optiske akse for å øke lengden på det absorberende laget.

Rørformede motstandsovner er oftest laget av tette grader av grafitt. For å eliminere dampdiffusjon gjennom veggene og øke holdbarheten, er grafittrør belagt med et lag av gasstett pyrolytisk karbon. Maks. Oppvarmingstemperaturen når 3000 °C. Mindre vanlige er tynnveggede rørformede ovner laget av ildfaste metaller (W, Ta, Mo), kvarts med nikromvarmer. For å beskytte grafitt- og metallovner fra å brenne i luft, plasseres de i semi-hermetiske eller forseglede kamre som inertgass (Ar, N2) blåses gjennom.

Innføringen av prøver i absorpsjonssonen til en flamme eller ovn utføres ved hjelp av forskjellige teknikker. Løsninger sprayes (vanligvis inn i en flamme) ved hjelp av pneumatiske sprøyter, sjeldnere ultralydsprøyter. De førstnevnte er enklere og mer stabile i drift, selv om de er dårligere enn sistnevnte i graden av spredning av den resulterende aerosolen. Kun 5-15 % av de minste aerosoldråpene kommer inn i flammen, og resten siles ut i blandekammeret og slippes ut i avløpet. Maks. konsentrasjonen av fast stoff i løsning overstiger vanligvis ikke 1 %. Ellers oppstår intens avsetning av salter i brennerdysen.

Termisk fordampning av rester av tørre oppløsninger er hovedmetoden for å introdusere prøver i rørovner. I dette tilfellet fordampes prøver oftest med indre overflate ovner; prøveløsningen (volum 5-50 μl) injiseres ved hjelp av en mikropipette gjennom doseringshullet i rørveggen og tørkes ved 100°C. Imidlertid fordamper prøver fra veggene med en kontinuerlig økning i temperaturen til det absorberende laget, noe som forårsaker ustabilitet i resultatene. For å sikre en konstant ovnstemperatur på tidspunktet for fordampning, innføres prøven i en forvarmet ovn ved hjelp av en karbonelektrode (grafittcelle), grafittdigel (Woodriff-ovn), metall- eller grafittsonde. Prøven kan fordampes fra en plattform (grafitttrau), som er installert i midten av ovnen under doseringshullet. Som et resultat betyr det. Hvis temperaturen på plattformen henger etter temperaturen i ovnen, som varmes opp med en hastighet på ca. 2000 K/s, oppstår fordampning når ovnen når en nesten konstant temperatur.

Skal introduseres i flammen faste stoffer eller tørre rester av løsninger, stenger, tråder, båter, digler laget av grafitt eller ildfaste metaller brukes, plassert under enhetens optiske akse, slik at prøvedampene kommer inn i absorpsjonssonen med strømmen av flammegasser. I noen tilfeller blir grafittfordampere i tillegg oppvarmet av elektrisk strøm. For å utelukke pels. For å forhindre tap av pulveriserte prøver under oppvarmingsprosessen, brukes sylindriske kapsel-type fordampere laget av porøs grafitt.

Noen ganger behandles prøveløsninger i en reaksjonskar med reduksjonsmidler tilstede, oftest NaBH 4 . I dette tilfellet destilleres for eksempel Hg av i elementær form, As, Sb, Bi, etc. - i form av hydrider, som føres inn i forstøveren med en strøm av inert gass. For å monokromatisere stråling brukes prismer eller diffraksjonsgitter; i dette tilfellet oppnås en oppløsning på 0,04 til 0,4 nm.

I atomabsorpsjonsanalyse er det nødvendig å utelukke overlappingen av strålingen fra forstøveren med strålingen fra lyskilden, for å ta hensyn til en mulig endring i lysstyrken til sistnevnte, spektral interferens i forstøveren forårsaket av delvis spredning og absorpsjon av lys av faste partikler og molekyler av fremmede komponenter i prøven. For å gjøre dette, bruk for eksempel ulike teknikker. kildestrålingen er modulert med en frekvens som opptaksenheten er innstilt tilnærmet et tostråleskjema eller et optisk skjema med to lyskilder (med diskrete og kontinuerlige spektre). maks. Et effektivt opplegg er basert på Zeeman-splitting og polarisering av spektrallinjer i en forstøver. I dette tilfellet føres lys polarisert vinkelrett gjennom det absorberende laget magnetisk felt, som gjør det mulig å ta hensyn til ikke-selektiv spektral interferens som når verdier på A = 2 ved måling av signaler som er hundrevis av ganger svakere.

Fordelene med atomabsorpsjonsanalyse er enkelhet, høy selektivitet og liten påvirkning av prøvesammensetningen på analyseresultatene. Metodens begrensninger er umuligheten av samtidig bestemmelse av flere elementer ved bruk av lineære strålingskilder og, som regel, behovet for å overføre prøver til løsning.

Atomabsorpsjonsanalyse brukes til å bestemme omtrent 70 grunnstoffer (hovedsakelig prøvemetaller). Gasser og noen andre ikke-metaller hvis resonanslinjer ligger i vakuumområdet av spekteret (bølgelengde mindre enn 190 nm) blir heller ikke oppdaget. Ved hjelp av en grafittovn er det umulig å bestemme Hf, Nb, Ta, W og Zr, som danner lavflyktige karbider med karbon. Deteksjonsgrensene for de fleste grunnstoffer i løsninger under forstøvning i en flamme eller i en grafittovn er 100-1000 ganger lavere. De absolutte deteksjonsgrensene i sistnevnte tilfelle er 0,1-100 pg.

Det relative standardavviket under optimale måleforhold når 0,2-0,5 % for en flamme og 0,5-1,0 % for en ovn. I automatisk driftsmodus lar flammespektrometeret analysere opptil 500 prøver i timen, og spektrometeret med en grafittovn tillater opptil 30 prøver. Begge alternativene brukes ofte i kombinasjon med forbehandling. separasjon og konsentrasjon ved ekstraksjon, destillasjon, ionebytting, kromatografi, som i noen tilfeller gjør det mulig å indirekte bestemme enkelte ikke-metaller og organiske forbindelser.

Atomabsorpsjonsanalysemetoder brukes også for å måle noen fysiske egenskaper. og fysisk-kjemiske mengder - diffusjonskoeffisienten av atomer i gasser, temperaturer på det gassformige mediet, fordampningsvarme av elementer, etc.; å studere spektra av molekyler, studere prosesser forbundet med fordampning og dissosiasjon av forbindelser.

Side 1

Introduksjon.

Gjennom hele utviklingen bruker den menneskelige sivilisasjonen, i det minste i den materielle sfæren, konstant kjemiske, biologiske og fysiske lover som opererer på planeten vår for å tilfredsstille en eller annen av dens behov.

http://voronezh.pinskdrev.ru/ spisebord i Voronezh. I gamle tider skjedde dette på to måter: bevisst eller spontant. Naturligvis er vi interessert i den første måten. Et eksempel på bevisst bruk kjemiske fenomener

kan tjene:

Suring av melk, brukt til å produsere ost, rømme og andre meieriprodukter;

Gjæring av visse frø, for eksempel humle, i nærvær av gjær for å produsere øl;

Sublimering av pollen av noen blomster (valmue, hamp) og skaffe medisiner;

Gjæring av juice av visse frukter (først og fremst druer), som inneholder mye sukker, noe som resulterer i vin og eddik.

Brann brakte revolusjonerende endringer i menneskelivet. Mennesket begynte å bruke ild til matlaging, i keramikkproduksjon, til bearbeiding og smelting av metaller, foredling av tre til kull, fordamping og tørking av mat for vinteren. Over tid begynte folk å trenge mer og mer nye materialer. Kjemi ga uvurderlig hjelp i deres opprettelse. Kjemiens rolle er spesielt stor i dannelsen av rene og ultrarene materialer (heretter forkortet som SHM). Hvis i etableringen av nye materialer, etter min mening, er den ledende posisjonen fortsatt okkupert av fysiske prosesser

Dette abstraktet skisserer noen typer korrosjonsprosesser, samt måter å bekjempe dem på, som er den viktigste praktiske oppgaven til fysiske og kjemiske metoder i byggematerialer.

Fysisk-kjemiske analysemetoder og deres klassifisering.

Fysisk-kjemiske analysemetoder (PCMA) er basert på bruken av avhengigheten av de fysiske egenskapene til stoffer (for eksempel lysabsorpsjon, elektrisk ledningsevne, etc.) av deres kjemiske sammensetning. Noen ganger i litteraturen skilles fysiske analysemetoder fra FCMA, og understreker dermed at FCMA bruker en kjemisk reaksjon, mens fysiske metoder ikke gjør det. Fysiske metoder analyse og fysisk-kjemisk analyse, hovedsakelig i Vestlig litteratur, kalles instrumentelle, siden de vanligvis krever bruk av instrumenter, måleinstrumenter. Instrumentelle analysemetoder har generelt sin egen teori, forskjellig fra teorien om metoder for kjemisk (klassisk) analyse (titrimetri og gravimetri). Grunnlaget for denne teorien er samspillet mellom materie og strømmen av energi.

Når man bruker PCMA for å få informasjon om den kjemiske sammensetningen til et stoff, blir prøven som studeres utsatt for en eller annen type energi. Avhengig av typen energi i et stoff, skjer det en endring i energitilstanden til dets bestanddeler (molekyler, ioner, atomer), som kommer til uttrykk i en endring i en eller annen egenskap (for eksempel farge, magnetiske egenskaper osv. .). Ved å registrere en endring i denne egenskapen som et analytisk signal, oppnås informasjon om den kvalitative og kvantitative sammensetningen av objektet som studeres eller om dets struktur.

I henhold til type forstyrrelsesenergi og den målte egenskapen (analytisk signal) kan FCMA klassifiseres som følger (tabell 2.1.1).

I tillegg til de som er oppført i tabellen, er det mange andre private FHMA-er som ikke faller inn under denne klassifiseringen.

Optiske, kromatografiske og potensiometriske analysemetoder har størst praktisk anvendelse.

Tabell 2.1.1.

Type forstyrrelsesenergi	Eiendom som måles	Metodenavn	Metodegruppenavn
Elektronstrøm (elektrokjemiske reaksjoner i løsninger og på elektroder)	Spenning, potensial	Potensiometri	Elektrokjemisk
	Elektrodepolarisasjonsstrøm	Voltamperometri, polarografi
	Nåværende styrke	Amperometri
	Motstand, ledningsevne	Konduktometri
	Impedans (vekselstrømsmotstand, kapasitans)	Oscillometri, høyfrekvent konduktometri
	Mengde elektrisitet	Coulometri
	Masse av elektrokjemisk reaksjonsprodukt	Elektrogravimetri
	Permittivitet	Dielkometri
Elektromagnetisk stråling	Bølgelengden og intensiteten til spektrallinjen i de infrarøde, synlige og ultrafiolette delene av spekteret =10-3 ,10-8 m	Optiske metoder (IR-spektroskopi, atomemisjonsanalyse, atomabsorpsjonsanalyse, fotometri, luminescensanalyse, turbidimetri, nefelometri)	Spektral
	Det samme, i røntgenområdet av spekteret =10-8 .10-11 m	Røntgenfotoelektron, Auger-spektroskopi