Фізичні методи дослідження у будівництві. Фізико-хімічні методи досліджень матеріалів

Вступ

Людство протягом усього свого розвитку, використовує у своїй діяльності закони хімії та фізики, для вирішення різноманітних завдань та задоволення безлічі потреб.

У давнину цей процес йшов двома різними шляхами: усвідомлено, виходячи з накопиченого досвіду чи випадково. До яскравим прикладамусвідомленого застосування законів хімії відносяться: скисання молока, та його наступні застосування для приготування сирних продуктів, сметани та іншого; бродіння деяких насіння, наприклад, хмелю та подальші виготовлення пивоварних продуктів; бродіння соків різних плодів (головним чином, винограду, який містить велика кількістьцукру), в результаті давало винні продукти, оцет.

Революцією у житті людства стало відкриття вогню. Люди почали застосовувати вогонь для приготування їжі, для термічної обробки глиняних виробів різними металамидля отримання деревного вугілля і багато іншого.

З часом у людей виникла потреба у більш функціональних матеріалах та продуктах на їх основі. Великий впливна вирішення цієї проблеми надали їхні знання у галузі хімії. Особливо велику роль хімія зіграла, при отриманні чистих та надчистих речовин. Якщо при виготовленні нових матеріалів, перше місце належить фізичним процесам і технологіям на їх основі, синтез надчистих речовин, як правило, легше здійснити за допомогою хімічних реакцій [

Використовуючи фізико-хімічні методи, вивчають фізичні явищаякі виникають при протіканні хімічних реакцій. Наприклад, в колориметричному методі вимірюють інтенсивність фарбування в залежності від концентрації речовини, в кондуктометричному методі вимірюють зміну електричної провідності розчинів, оптичні методи використовують зв'язок між оптичними властивостямисистеми та її складом.

Фізико-хімічні методиДослідження застосовують і для комплексного вивчення будівельних матеріалів. Використання таких методів дозволяє поглиблено вивчати склад, структуру та властивості будівельних матеріалів та виробів. Діагностика ж складу, структури та властивостей матеріалу на різних етапах його виготовлення та експлуатації дозволяє розробляти прогресивні ресурсозберігаючі та енергозберігаючі технології.

У наведеній роботі показано загальну класифікацію фізико-хімічних методів дослідження будівельних матеріалів (термографія, рентгенографія, оптична мікроскопія, електронна мікроскопія, атомна емісійна спектроскопія, молекулярна абсорбційна спектроскопія, колориметрія, потенціометрія) і детальніше розглянуті такі методи, як термічний і рентгенофазовий аналіз, а також методи вивчення пористої структури [Довідник будівельника [ Електронний ресурс] // Міністерство міського та сільського будівництва Української РСР. URL: www.bibliotekar.ru/spravochnick-104-stroymaterialy.html].

1. Класифікація фізико-хімічних методів дослідження

Фізико-хімічні методи дослідження спираються на тісний зв'язокфізичних показників матеріалу (наприклад, можливості поглинати світло, електропровідності та інших) і структурної організаціїматеріалу з погляду хімії. Буває так, що з фізико-хімічних методів, як окрему групувиділяють суто фізичні методики дослідження, показуючи таким чином, що у фізико-хімічних методиках розглядається якась хімічна реакція, на відміну чисто фізичних. Дані методи дослідження досить часто називають інструментальними, тому що вони припускають використання різних вимірювальних апаратів. Інструментальні методики досліджень, як правило, мають свою власну теоретичну базу, ця база розходиться з теоретичною базою хімічних досліджень(титриметричних та гравіметричних). Підставою їй стала взаємодія речовини з різноманітними енергіями.

В ході фізико-хімічних дослідженьЩоб отримати необхідні дані про склад, структурну організацію речовини, експериментальну пробу піддають впливу якої-небудь енергії. Залежно від різновиду енергії в речовинах змінюються енергетичні стани його частинок (молекул, іонів, атомів). Це виявляється у зміні деякого певного набору параметрів (наприклад, кольору, магнітних властивостейта інших). В результаті реєстрації зміни характеристик речовини отримують дані про якісний і кількісний склад досліджуваної проби, або дані про її структуру.

По різновиду енергій, що впливають, і досліджуваних характеристик, фізико-хімічні методи дослідження поділяють нижче наведеним способом.

Таблиця 1. Класифікація фізико-хімічних методів

Крім наведених у цій таблиці, є чимало приватних фізико-хімічних методик, які підходять під таку класифікацію. Насправді найбільш активно використовуються оптичні, хроматографічні та потенціометричні методики дослідження характеристик, склад та структури пробиГалузо, Г.С. Методи дослідження будівельних матеріалів: навчально-методичний посібник/ Г.С. Галузо, В.А. Богдан, О.Г. Галузо, В.І. Коважнкова. - Мінськ: БНТУ, 2008. - 227 с.].

2. Методи термічного аналізу

Термічний аналіз активно використовується для вивчення різних будматеріалів – мінеральних та органічних, натуральних та синтетичних. Його використання допомагає виявити присутність у матеріалі тієї чи іншої фази, визначити реакції взаємодії, розкладання та, у виняткових випадках, отримати відомості про кількісний склад кристалічної фази. Можливість отримання інформації про фазовий склад високодисперсних та прихованокристалічних полімінеральних сумішей без поділу на полімінеральні фракції є однією з головних переваг методики. Термічні методи дослідження ґрунтуються на правилах сталості хімічного складу та фізичні характеристикиречовини, в конкретних умовах, а також на законах відповідності та характеристичності.

Закон відповідності говорить про те, що до будь-якої фазової зміни проби можна співвіднести конкретний термічний ефект.

А закон характеристичності говорить про те, що термічні ефекти є індивідуальними для кожної хімічної речовини.

Основна ідея термічного аналізу полягає у дослідженні перетворень, які протікають в умовах підвищення температурних показників у системах речовин або конкретних сполуках при різноманітних фізичних та хімічних процесах, за супутніми термічними ефектами.

Фізичні процеси, як правило, засновані на перетворенні структурної будови, або агрегатного стану системи при її постійному хімічному складі.

Хімічні процеси ведуть до перетворення хімічного складу системи. До таких належить безпосередньо дегідратація, дисоціація, окиснення, реакція обміну та інші.

Спочатку термічні криві для вапнякових та глинистих порід були отримані французьким вченим хіміком Анрі Луї Ле Шательє у 1886 – 1887 роках. У Росії її одним із перших методику термічних досліджень став вивчати академік Н.С. Курнаков (1904 року). Оновлені модифікації пірометра Курнакова (апарат для автоматичного запису кривих нагрівання та охолодження) і досі застосовуються в більшості дослідницьких лабораторій. Щодо досліджуваних характеристик у результаті нагрівання чи охолодження виділяють такі методи термічного аналізу: диференціально-термічний аналіз (ДТА) – визначається зміна енергії досліджуваного зразка; термогравіметрія – змінюється маса; дилатометрія – змінюється обсяги; газоволюметрія – змінюється склад газової фази; електропровідність - змінюється електричний опір.

У результаті термічних досліджень можна паралельно застосовувати відразу кілька способів вивчення, кожен із яких фіксує зміни енергії, маси, обсягу та інших характеристик. Всеосяжне дослідження характеристик системи в процесі нагрівання, допомагає більш докладно і ретельніше вивчити основи процесів, що відбуваються в ній.

Одним із найголовніших і широко застосовуваних методів є диференціально-термічний аналіз.

Коливання температурних характеристик речовини можна виявити за його послідовному нагріванні. Так, тигель заповнюють експериментальним матеріалом (пробою), поміщають його в електричну піч, яка нагрівається і починають знімати температурні показники досліджуваної системи за допомогою найпростішої термопари, з'єднаної з гальванометром.

Реєстрація зміни ентальпії речовини відбувається за допомогою звичайної термопари. Але в результаті того, що відхилення, які модно бачити на температурній кривій, мають не дуже велику величину, краще застосовувати диференціальну термопару. Спочатку використання цієї термопари було запропоновано Н.С. Курнаковим. Схематичне зображення самореєструючого пірометра представлене малюнку 1.

На даному схематичному зображенні показана пара звичайних термопар, які з'єднані один з одним однойменними кінцями, що утворюють так званий холодний спай. Інші два кінці приєднуються до апарату, який дозволяє зафіксувати перетворення в ланцюзі електрорушійної сили (ЕРС), що з'являються внаслідок підвищення температури гарячих спаїв термопари. Один гарячий спай розташовується в зразку, що вивчається, а другий - в еталонному речовині порівняння.

Малюнок 1. Схематичне зображення диференціальної та простої термопари: 1 – електрична піч; 2 – блок; 3 - експериментальний зразок, що вивчається; 4 – речовина порівняння (еталон); 5 – гарячий спай термопари; 6 – холодний спай термопари; 7 – гальванометр для фіксації кривої ДТА; 8 – гальванометр для фіксації температурної кривої.

Якщо ж для системи, що вивчається, частими є які-небудь перетворення, які пов'язані з поглинанням або виділенням теплової енергії, то його показник температури в даний момент може бути набагато більше або менше, порівняно з еталонною речовиною порівняння. Ця температурна різниця веде до виникнення відмінності за значенням ЕРС і, як наслідок, відхилення кривої ДТА вгору або вниз від нуля, або базової риси. Нульовий називається лінія, паралельна осі абсцис і проведена через початок ходу кривої ДТА, це можна побачити малюнку 2.

Малюнок 2. Схема простої та диференціальної (ДТА) температурних кривих.

Насправді нерідко після завершення якогось термічного перетворення крива ДТА не повертається до нульової лінії, а продовжує йти паралельно до неї або під якимсь кутом. Ця лінія має назву - базова лінія. Ця розбіжність базисної і нульової лінії пояснюється різними теплофізичними характеристиками системи речовин, що вивчається, і еталонної речовини порівняння [].

3. Методи рентгенофазового аналізу

Рентгенографічні методи дослідження будматеріалів ґрунтуються на експериментах, у яких застосовується рентгенівське випромінювання. Даний клас досліджень активно використовують для вивчення мінералогічного складу сировини та кінцевих продуктів, фазових перетворень у речовині на різних етапах їх переробки у готову до використання продукцію та в ході експлуатації, а також для виявлення характеру структурної будови кристалічної решітки.

Методику рентгенографічних досліджень, застосовувану визначення параметрів елементарної осередки речовини, називають рентгеноструктурной методикою. Методика ж, якої дотримуються під час вивчення фазових перетворень та мінералогічного складу речовин, зветься рентгенофазового аналізу. Методи рентгенофазового аналізу (РФА) мають велике значеннящодо мінеральних будматеріалів. За підсумками рентгенофазових досліджень отримують інформацію про наявність кристалічних фаз та їх кількість у зразку. З цього випливає, що існує кількісний і якісний методианалізу.

Призначення якісного рентгенофазового аналізу, це отримання інформації про природу кристалічної фази речовини, що вивчається. Методи базуються на тому, що кожен конкретний кристалічний матеріал має певну рентгенограму зі власним набором дифракційних максимумів. В наш час існують достовірні рентгенографічні дані про більшість відомих людинікристалічних речовин.

Завданням кількісного складу є отримання інформації про кількість конкретних фаз в поліфазних полікристалічних речовинах, він ґрунтується на залежності інтенсивності дифракційних максимумів від процентного змістудосліджуваної фази. При підвищенні кількості будь-якої фази її інтенсивність відбиття стає більшою. Але для поліфазних речовин залежність між інтенсивністю і кількістю цієї фази неоднозначна, оскільки величина інтенсивності відображення даної фази залежить не тільки від її відсоткового вмісту, а також від значення μ, яке характеризує те, на скільки послаблюється рентгенівський пучок в результаті проходження крізь досліджуваний матеріал . Це значення ослаблення матеріалу, що вивчається, залежить від значень ослаблення та кількості інших фаз, які також входять до його складу. З цього випливає, що кожна методика кількісного аналізуповинна як то враховувати вплив показника ослаблення, внаслідок зміни складу зразків, який порушує пряму пропорційність між кількістю цієї фази та ступенем інтенсивності її дифракційного відображення [Макарова, І.А. Фізико-хімічні методи дослідження будівельних матеріалів: навчальний посібник/І.А. Макарова, Н.А. Лохова. - Братськ: З-во БрДУ, 2011. - 139 с. ].

Варіанти отримання рентгенограм поділяють, виходячи з методу реєстрації випромінювання на фотографічні та дифрактометричні. Використання методів першого виду передбачає фотореєстрацію рентгенівського випромінювання, під впливом якого спостерігають потемніння фотоемульсії Дифрактометричні методи отримання рентгенограм, що реалізуються в дифрактометрах, відрізняються з фотографічними методами тим, що дифракційна картина виходить послідовно з часом [Піндюк, Т.Ф. Методи дослідження будівельних матеріалів: методичні вказівкидо лабораторних робіт/Т.Ф. Піндюк, І.Л. Чулкова. - Омськ: Сібаді, 2011. - 60 с. ].

4. Методи вивчення пористої структури

Будматеріали мають різнорідну і досить складну будову. Незважаючи на різновид і походження матеріалів (бетони, силікатні матеріали, кераміка) у їхній структурі завжди є різноманітні пори.

Термін «пористість» пов'язує дві найголовніші властивості матеріалу – геометрію та структуру. Геометрична характеристика, це загальний обсяг пір, розмір пір та їх загальна питома поверхня, які визначають пористість структури (великопористий матеріал або дрібнопористий). Структурна характеристика– це вид часу, та його розподіл за величиною. Ці властивості змінюються, залежно від структури твердої фази (зерниста, комірчаста, волокниста та інші) і структури безпосередньо самих пір (відкриті, замкнуті, сполучені).

Основний вплив на розміри та структуру пористих утворень надають властивості вихідної сировини, склад суміші, технологічний процесвиробництва. Найголовнішими характеристиками є гранулометричний склад, обсяг зв'язки, відсоток вологості у вихідній сировині, методи формування кінцевої продукції, умови освіти підсумкової структури(спікання, сплавлення, гідратація та інші). Сильний впливна структуру пористих утворень надають спеціалізовані добавки, звані модифікатори. До них належать, наприклад, паливні та вигоряючі добавки, які вводять до складу шихти в процесі виробництва керамічних продуктів, а крім цього ПАР, їх застосовують як у кераміці, так і в матеріалах на основі цементу. Пори розрізняються не тільки одними розмірами, але ще й формою, а капілярні канали, що створюються ними, мають змінний переріз по всій своїй довжині. Усі порові утворення класифікуються на закриті та відкриті, а також каналоутворюючі та тупикові.

Структура пористих будматеріалів характеризується сукупністю всіх різновидів пір. Пористі утворення можуть бути хаотично розташовані всередині речовини, а можуть мати певний порядок.

Порові канали мають дуже складну будову. Замкнуті пори відрізані від відкритих пір і ніяк не пов'язані один з одним зовнішнім середовищем. Цей клас пір є непроникним для газоподібних речовин і рідин і в результаті цього не належить до небезпечних. Відкриті ж каналоутворювальні та тупикові пористі утворення водне середовищеможе легко заповнити. Їхнє заповнення протікає за різними схемами і залежить головним чином, від площі поперечного перерізу та довжини порових каналів. В результаті звичайного насичення не всі пористі канали можуть заповнитися водою, наприклад, найменші пори розміром менше 0,12 мкм так і не заповнюються через присутність у них повітряного середовища. Великі пористі утворення дуже швидко заповнюються, зате в повітряному середовищі, внаслідок невисокого значення капілярних сил, вода у них погано утримується.

Поглинений речовиною об'єм води залежить від розмірів пористих утворень і від адсорбційних характеристик безпосередньо самого матеріалу.

Для визначення зв'язку між пористою структурою та фізико-хімічними характеристикамиматеріалу мало знати лише загальне значенняобсягу пористих утворень. Загальна пористість не обумовлює структуру речовини тут важливу рольграє принцип розподілу пір за розмірами та наявність пористих утворень конкретного розміру.

Геометричні та структурні показники пористості будматеріалів відрізняються як на мікрорівні, так і на макрорівні. Г.І. Горчаковим та Е.Г. Мурадовим була розроблена експериментально-розрахункова методика для виявлення загальної та групової пористості бетонних матеріалів. Основа методики полягає в тому, що в ході експерименту визначають рівень гідратації цементу в бетоні за допомогою кількісного рентгенівського дослідження або приблизно за обсягом пов'язаної цементним в'яжучому води ω, не випаровується при сушінні під температурою 150 ºС: α = ω/ω max .

Об'єм пов'язаної води при повній гідратації цементу розташовується в інтервалі 0,25 - 0,30 (до маси не прожареного цементу).

Потім за допомогою формул таблиці 1 вираховують пористість бетону в залежності від рівня гідратації цементу, його витрати в бетоні та кількості води [Макарова, І.А. Фізико-хімічні методи дослідження будівельних матеріалів: навчальний посібник/І.А. Макарова, Н.А. Лохова. - Братськ: З-во БрДУ, 2011. - 139 с. ].

Фотоколориметрія

Кількісне визначення концентрації речовини по поглинанню світла у видимій та ближній ультрафіолетовій ділянці спектру. Поглинання світла вимірюють фотоелектричних колориметрах.

Спектрофотометрія (абсорбційна). Фізико-хімічний метод дослідження розчинів і твердих речовин, заснований на вивченні спектрів поглинання в ультрафіолетовій (200-400 нм), видимій (400-760 нм) та інфрачервоній (>760 нм) областях спектру. Основна залежність, що вивчається в спектрофотометрії, - залежність інтенсивності поглинання падаючого світла від довжини хвилі. Спектрофотометрія широко застосовується при вивченні будови та складу різних з'єднань(комплексів, барвників, аналітичних реагентів та ін.), для якісного та кількісного визначення речовин (визначення слідів елементів у металах, сплавах, технічних об'єктах). Прилади спектрофотометрії – спектрофотометри.

Абсорбційна спектроскопія, вивчає спектри поглинання електромагнітного випромінювання атомами та молекулами речовини у різних агрегатних станах. Інтенсивність світлового потоку при його проходженні через досліджуване середовище зменшується внаслідок перетворення енергії випромінювання на різні формивнутрішньої енергії речовини та (або) в енергію вторинного випромінювання. Поглинальна здатність речовини залежить від електронної будовиатомів і молекул, а також від довжини хвилі та поляризації падаючого світла, товщини шару, концентрації речовини, температури, наявності електричного та магнітного полів. Для вимірювання поглинальної здатності використовують спектрофотометри – оптичні прилади, що складаються з джерела світла, камери для зразків, монохроматора (призму або дифракційні грати) та детектора. Сигнал від детектора реєструється у вигляді безперервної кривої (спектру поглинання) або у вигляді таблиць, якщо спектрофотометр має вбудовану ЕОМ.

1. Закон Бугера-Ламберта: якщо середовище однорідне і шар в-ва перпендикулярний падаючого паралельного світлового потоку, то

I = I 0 exp (-kd),

де I 0 та I-інтенсивності соотв. падаючого і що пройшов через в-во світла, d-товщина шару, k-коеф. поглинання, який не залежить від товщини поглинаючого шару і інтенсивності падаючого випромінювання. Для характеристики поглинають. здібності широко використовують коеф. екстинкції, або світлопоглинання; k" = k/2,303 (в см -1) і оптич. щільність А = lg I 0 /I, а також величину пропускання Т = I/I 0 . Відхилення від закону відомі тільки для світлових потоків надзвичайно великої інтенсивності (для лазерного випромінювання). Коеф. k залежить від довжини хвилі падаючого світла, т.к. його величина визначається електронною конфігурацієюмолекул і атомів та ймовірностями переходів між їх електронними рівнями. Сукупність переходів створює спектр поглинання (абсорбції), характерний даного в-ва.

2. Закон Бера: кожна молекула або атом незалежно від відносного розташування ін. молекул або атомів поглинає ту саму частку енергії випромінювання. Відхилення від цього закону свідчать про утворення димерів, полімерів, асоціатів, хімічних. взаємодії поглинаючих частинок

3. Об'єднаний закон Бугера-Ламберта-Бера:

A = lg (I 0 /I) = КLC

L – товщина поглинаючого шару атомної пари

Абсорбційна спектроскопія заснована на використанніздатності речовини до селективного (виборчого) поглинання світлової енергії

Абсорбційна спектроскопія досліджує здатність поглинання речовин. Абсорбційний спектр (спектр поглинання) отримують наступним чином: речовину (пробу) поміщають між спектрометром та джерелом електромагнітного випромінювання з певним діапазономчастот. Спектрометр вимірює інтенсивність світла, що пройшло через пробу, в порівнянні з інтенсивністю початкового випромінювання при даній довжині хвилі. У цьому випадку стан з високою енергією має короткий період життя. У ультрафіолетовій області поглинена енергія зазвичай знову перетворюється на світло; у деяких випадках вона може індукувати фотохімічні реакції. Звичайний спектр пропускання води, знятий у кюветі AgBr завтовшки близько 12 мкм.

Абсорбційна спектроскопія, до якої належать методи інфрачервоної, ультрафіолетової та ЯМР-спектроскопії, дає відомості про характер середньої молекули, але, на противагу мас-спектрометрії, не дозволяє розпізнавати різні видимолекул, які можуть бути присутніми в аналізованій пробі.

Абсорбційна спектроскопія парамагнітного резонансу є методом, що може бути застосований до молекул, що містять атоми або іони з неспареними електронами. Поглинання призводить до зміни орієнтації магнітного моменту під час переходу з одного дозволеного становища до іншого. Справжня поглинена частота залежить від магнітного поля, і, отже, шляхом зміни поля поглинання може бути визначено деякою мікрохвильовою частотою.

Абсорбційна спектроскопія парамагнітного резонансу є методом, що може бути застосований до молекул, що містять атоми або іони з неспареними електронами. Це призводить до зміни орієнтації магнітного моменту під час переходу з одного дозволеного положення до іншого. Справжня поглинена частота залежить від магнітного поля, і, отже, шляхом зміни поля поглинання може бути визначено деякою мікрохвильовою частотою.

В абсорбційній спектроскопії молекула в нижчому енергетичному рівні поглинає фотон з частотою v, що обчислюється за рівнянням, з переходом на вищий енергетичний рівень. У звичайному спектрометрі через зразок проходить випромінювання, що містить всі частоти інфрачервоної області. Спектрометр реєструє кількість енергії, що пройшла через зразок, як функцію частоти випромінювання. Оскільки зразок поглинає тільки випромінювання з частотою, що визначається за рівнянням, самописець спектрометра показує рівномірне високе пропускання, за винятком області частот, що визначаються з рівняння, де спостерігаються смуги поглинання.

В абсорбційній спектроскопії визначається зміна інтенсивності електромагнітного випромінювання, створюваного будь-яким джерелом, зміна, яка спостерігається при проходженні випромінювання через поглинаючу його речовину. При цьому молекули речовини взаємодіють із електромагнітним випромінюванням та поглинають енергію.

Метод абсорбційної спектроскопії використовується визначення кількості газової домішки по виміряної площі індивідуальної лінії поглинання, групи ліній або цілої смуги поглинання в спектрі радіації, яка пройшла деякий шлях в середовищі. Вимірювані площі зіставляються з аналогічними величинами, розрахованими на основі даних про спектри поглинання, отриманих в лабораторних умовпри дозованих кількостях вимірюваного газу.

В абсорбційній спектроскопії мінімальний час життя, необхідний для того, щоб можна було спостерігати помітні спектри, збільшується в міру зменшення енергії переходу.

Для абсорбційної спектроскопії можна використовувати джерело білого світлау поєднанні зі спектрографом для отримання фотографічно зареєстрованого оглядового спектру поглинаючих сполук реакційної системи. В інших випадках для сканування спектрального діапазону може застосовуватись монохроматор з фотоелектричним приймачем. Багато досліджуваних короткоживучих інтермедіатів мають досить велике оптичне поглинання через наявність дозволеного електронного дипольного переходу на більш високий рівеньенергії. У цьому випадку, наприклад, триплетні збуджені стани можуть спостерігатися за їх триплет-триплетним поглинанням. У загальному випадкуіндивідуальні смуги поглинання мають тим більшу амплітуду, що вони вже. Внаслідок цього ефекту атоми мають дозволені лінії поглинання особливо великих амплітуд. При кількісних вимірах поглинання зазвичай вибирається довжина хвилі, коли він спостерігається сильна смуга поглинання і неї не накладаються смуги поглинання інших сполук.

В абсорбційній спектроскопії ми обмежені не так оптичними властивостями досліджуваного газу, нагрітого. ударною хвилеюскільки властивостями джерела випромінювання.

Застосування абсорбційної спектроскопії пов'язані з витратою невеликих кількостей досліджуваного речовини.

Метод кінетичної абсорбційної спектроскопії, що охоплює електронну область спектру, добре відомий як основний метод спостереження за концентраціями радикалів, реагентів та кінцевих продуктів, що утворюються внаслідок імпульсного фотолізу. Однак цей метод став широко використовуватися в багатьох струменевих розрядних установках лише недавно. Через низькі оптичні щільності сканування смугастих спектрів невідомих хімічних системважко. Цей метод найбільше підходить для дослідження радикалів, електронні спектри яких поглинання досить точно визначені.

У приладах абсорбційної спектроскопії світло джерела освітлення проходить через монохроматизатор і падає на кювету з досліджуваним речовиною. Практично зазвичай визначають відношення інтенсивностей монохроматичного світла, що пройшло через досліджуваний розчин та через розчинник або спеціально вибраний розчин порівняння.

У методі абсорбційної спектроскопії промінь монохроматичного світла з довжиною хвилі А і частотою v проходить кювету довжиною l (в см), що містить розчин поглинаючої сполуки концентрації з (моль/л) у відповідному розчиннику.

Однак в атомній абсорбційній спектроскопії цим джерелом світла досі мало незаслужено користуються. Перевагою високочастотних ламп є простота виготовлення, оскільки лампа представляє зазвичай скляну або кварцову посудину, в якій знаходиться невелика кількість металу.

Полум'я в атомній спектроскопії абсорбційної є найбільш поширеним способом атомізації речовини. В атомно-абсорбційної спектроскопії полум'я виконує ту ж роль, що і в полум'яній емісійній спектроскопії, з тією різницею, що в останньому випадку полум'я є також засобом для збудження атомів. Тому природно, що техніка полум'яної атомізації проб в атомно-абсорбційному спектральному аналізібагато в чому копіює техніку емісійної фотометрії полум'я.

Метод атомно-абсорбційної спектрометрії (AAS), атомно-абсорбційний аналіз (ААА) – метод кількісно елементного аналізу з атомних спектрів поглинання (абсорбції). Широко використовується під час аналізу мінеральної речовини визначення різних елементів.

Принцип дії методузаснований на тому, що атоми кожного хімічного елементамають строго певні резонансні частоти, у результаті саме цих частотах вони випромінюють чи поглинають світло. Це призводить до того, що в спектроскопі на спектрах видно лінії (темні або світлі) у певних місцях, характерних для кожної речовини. Інтенсивність ліній залежить від кількості речовини та її стану. У кількісному спектральному аналізі визначають вміст досліджуваної речовини щодо відносної або абсолютної інтенсивності ліній або смуг у спектрах.

Атомні спектри (поглинання або випромінювання) одержують переведенням речовини в пароподібний стан шляхом нагрівання проби до 1000–10000 °C. Як джерела збудження атомів при емісійному аналізі струмопровідних матеріалів застосовують іскру, дугу змінного струму; при цьому пробу поміщають у кратер одного з вугільних електродів. Для аналізу розчинів широко використовують полум'я чи плазму різних газів.

Переваги методу:

· Простота,

· Висока селективність,

· Мінімальний вплив складу проби на результати аналізу.

· Економічність;

· Простота та доступність апаратури;

· Висока продуктивність аналізу;

· Наявність великої кількостіатестованих аналітичних методик.

· Література для ознайомлення з методом ААС

Обмеження методу- Неможливість одночасного визначення декількох елементів при використанні лінійчастих джерел випромінювання і, як правило, необхідність переведення проб в розчин.

В лабораторіїХСМА метод AAS використовується понад 30 років. З його допомогою визначаються CaO, MgO, MnO, Fe 2 O 3 Ag, мікродомішки; полум'яно-фотометричним методом – Na 2 O, K 2 O.

Атомно-абсорбційний аналіз(Атомно-абсорбційна спектрометрія), метод кількостей. елементного аналізу з атомних спектрів поглинання (абсорбції).

Принцип методу:Через шар атомної пари проби, одержуваних за допомогою атомізатора (див. нижче), пропускають випромінювання в діапазоні 190-850 нм. Внаслідок поглинання квантів світла (фотонне поглинання) атоми переходять у збуджені енергетичні стани. Цим переходам в атомних спектрах відповідають т. зв. резонансні лінії, характерні для цього елемента. Міра концентрації елемента – оптична щільність або атомне поглинання:

A = lg(I 0 /I)=КLC (згідно із законом Бугера-Ламберта-Бера),

де I 0 та I - інтенсивності випромінювання від джерела відповідно до і після проходження через поглинаючий шар атомної пари.

К-коефіцієнт пропорційності (коефіцієнт ймовірності електронного переходу)

L - товщина поглинаючого шару атомної пари

С – концентрація обумовленого елемента

Принципова схема полум'яного атомно-абсорбційного спектрометра: 1-джерело випромінювання; 2-полум'я; 3-монохром гір; 4-фотоумножувач; 5-реєструючий або показуючий прилад.

Прилади для атомно-абсорбційного аналізу- атомно-абсорбційні спектрометри – прецизійні високоавтоматизовані пристрої, що забезпечують відтворюваність умов вимірювань, автоматичне введення проб та реєстрацію результатів вимірювання. У деякі моделі вбудовані мікроЕОМ. Як приклад на малюнку наведена схема одного із спектрометрів. Джерелом лінійного випромінювання в спектрометрах найчастіше є одноелементні лампи з порожнистим катодом, що заповнюються неоном. Для визначення деяких легколетких елементів (Cd, Zn, Se, Ті та ін) зручніше користуватися високочастотними безелектродними лампами.

Переведення аналізованого об'єкта в атомізований стан і формування поглинаючого шару пари певної та відтворюваної форми здійснюється в атомізаторі - зазвичай в полум'ї або трубчастій печі. наиб. часто використовують полум'я сумішей ацетилену з повітрям (макс. температура 2000°С) та ацетилену з N2O (2700°С). Пальник із щілиноподібним соплом довжиною 50-100 мм і шириною 0,5-0,8 мм встановлюють уздовж оптичної осі приладу для збільшення довжини шару, що поглинає.

Трубчасті печі опору виготовляють найчастіше із щільних сортів графіту. Для виключення дифузії парів через стінки та збільшення довговічності графітові трубки покривають шаром газонепроникного піровуглецю. Макс. т-ра нагрівання сягає 3000 °З. Менш поширені тонкостінні трубчасті печі з тугоплавких металів (W, Та, Мо), кварцу з ніхромовим нагрівачем. Для захисту графітових та металевих печей від обгорання на повітрі їх поміщають у напівгерметичні або герметичні камери, через які продувають інертний газ (Аr, N2).

Введення проб у поглинаючу зону полум'я або печі здійснюють різними прийомами. Розчини розпорошують (зазвичай у полум'я) за допомогою пневматичних розпилювачів, рідше – ультразвукових. Перші простіше і стабільніше в роботі, хоча поступаються останнім у ступені дисперсності аерозолю, що утворюється. Лише 5-15% найбільш дрібних крапель аерозолю надходить у полум'я, а решта відсіюється в змішувальній камері і виводиться в стік. Макс. концентрація твердої речовини у розчині зазвичай не перевищує 1%. В іншому випадку відбувається інтенсивне відкладення солей у соплі пальника.

Термічне випаровування сухих залишків розчинів – основний спосіб введення проб у трубчасті печі. При цьому найчастіше проби випаровують з внутрішньої поверхніпечі; розчин проби (об'ємом 5-50 мкл) вводять за допомогою мікропіпетки через отвір для дозування в стінці трубки і висушують при 100°С. Однак проби випаровуються зі стінок при безперервному зростанні температури поглинаючого шару, що зумовлює нестабільність результатів. Щоб забезпечити сталість температури печі в момент випаровування, пробу вводять у попередньо нагріту піч, використовуючи вугільний електрод (графітову кювету) графітовий тигель (піч Вудриффа), металевий або графітовий зонд. Пробу можна випаровувати з платформи (графітового коритця), яку встановлюють у центрі печі під отвором дозування. В результаті це означає. відставання температури платформи від температури печі, що нагрівається зі швидкістю близько 2000К/с, випаровування відбувається при досягненні піччю практично постійної температури.

Для введення в полум'я твердих речовинабо сухих залишків розчинів використовують стрижні, нитки, човники, тиглі з графіту або тугоплавких металів, що містяться нижче оптичної осі приладу, так що пари проби надходять в поглинаючу зону з потоком газів полум'я. Графітові випарники часом додатково підігрівають електричним струмом. Для виключення хутра. втрат порошкоподібних проб у процесі нагрівання застосовують випарники типу циліндричних капсул, виготовлені з пористих сортів графіту.

Іноді розчини проб піддають у реакційному посудині обробці у присутніх відновників, найчастіше NaBH 4 . При цьому Hg, напр., відганяється в елементному вигляді, As, Sb, Bi та ін - у вигляді гідридів, які вносяться в атомізатор потоком інертного газу. Для монохроматизації випромінювання використовують призми чи дифракційні решітки; при цьому досягають роздільної здатності від 0,04 до 0,4 нм.

При атомно-абсорбційному аналізі необхідно виключити накладання випромінювання атомізатора на випромінювання джерела світла, врахувати можливу зміну яскравості останнього, спектральні перешкоди в атомізаторі, спричинені частковим розсіюванням та поглинанням світла твердими частинками та молекулами сторонніх компонентів проби. І тому користуються різними прийомами, напр. модулюють випромінювання джерела з частотою, на яку налаштовують приблизно - реєструючий пристрій, застосовують двопроменеву схему або оптичну схему з двома джерелами світла (з дискретним та безперервним спектрами). наиб. ефективна схема, заснована на зееманівському розщепленні та поляризації спектральних ліній в атомізаторі. У цьому випадку через поглинаючий шар пропускають світло, поляризоване перпендикулярно. магнітного полющо дозволяє врахувати неселективні спектральні перешкоди, що досягають значень А = 2, при вимірюванні сигналів, які в сотні разів слабші.

Переваги атомно-абсорбційного аналізу – простота, висока селективність і мінімальний вплив складу проби результати аналізу. Обмеження методу - неможливість одночасного визначення кількох елементів під час використання лінійчастих джерел випромінювання і, зазвичай, необхідність переведення проб у розчин.

Атомно-абсорбційний аналіз застосовують визначення близько 70 елементів (гл. обр. металів). Не визначають гази та деякі інші неметали, резонансні лінії яких лежать у вакуумній ділянці спектру (довжина хвилі менше 190 нм). Із застосуванням графітової печі неможливо визначати Hf, Nb, Та, W і Zr, що утворюють з вуглецем важкі карбіди. Межі виявлення більшості елементів у розчинах при атомізації в полум'ї, у графітовій печі в 100-1000 разів нижче. Абсолютні межі виявлення у разі становлять 0,1-100 пг.

Відносне стандартне відхилення в оптимальних умовах вимірювання досягає 0,2-0,5% для полум'я і 0,5-1,0% для печі. В автоматичному режимі роботи полум'яний спектрометр дозволяє аналізувати до 500 проб на годину, а спектрометр із графітовою піччю – до 30 проб. Обидва варіанти часто використовують у поєднанні з попереднім. поділом і концентруванням екстракцією, дистиляцією, іонним обміном, хроматографією, що у ряді випадків дозволяє опосередковано визначати деякі неметали та органічні сполуки.

Методи атомно-абсорбційного аналізу застосовують також вимірювання деяких фіз. та фіз.-хім. величин - коефіцієнт дифузії атомів у газах, температур газового середовища, теплот випаровування елементів та ін; вивчення спектрів молекул, дослідження процесів, що з випаровуванням і дисоціацією сполук.

Сторінка 1

Вступ.

Людська цивілізація протягом свого розвитку принаймні у матеріальній сфері постійно використовує хімічні, біологічні та фізичні закономірності, що діють на нашій планеті, для задоволення тих чи інших своїх потреб. http://voronezh.pinskdrev.ru/ обідні столи у воронежі.

У давнину це відбувалося двома шляхами: усвідомлено чи стихійно. Нас, звісно, ​​цікавить перший шлях. Прикладом усвідомленого використання хімічних явищможуть служити:

Скисання молока, що використовується для одержання сиру, сметани та інших молокопродуктів;

Бродіння деяких насіння, наприклад, хмелю в присутності дріжджів з утворенням пива;

Лікування пилку деяких кольорів (маку, коноплі) та отримання наркотиків;

Бродіння соку деяких плодів (насамперед винограду), що містить багато цукру, в результаті чого отримували вино, оцет.

Революційні перетворення на життя людини вніс вогонь. Людина почала використовувати вогонь для приготування їжі, у гончарному виробництві, для обробки та виплавки металів, переробки деревини у вугілля, випарювання та сушіння продуктів на зиму.

Згодом у людей виникала потреба все в нових та нових матеріалах. Неоціненну допомогу у створенні надавала хімія. Особливо велика роль хімії у створенні чистих та надчистих матеріалів (надалі скорочено – СЧМ). Якщо у створенні нових матеріалів, на мій погляд, лідируючу позицію займають все ж таки фізичні процесиі технології, отримання СЧМ найчастіше ефективніше і продуктивно з допомогою хімічних реакцій. А також виникла потреба у захисті матеріалів від корозії у цьому власне і полягає основна роль фізико-хімічних методів у будівельних матеріалах. За допомогою фізико-хімічних методів вивчають фізичні явища, що відбуваються за хімічних реакцій. Наприклад, в колориметричному методі вимірюють інтенсивність забарвлення залежно від концентрації речовини, кондуктометричному аналізі вимірюють зміну електричної провідності розчинів і т. д.

У даному рефераті викладено деякі види корозійних процесів, а також способи боротьби з ними, що є основним практичним завданням фізико-хімічних методів у будівельних матеріалах.

Фізико-хімічні методи аналізу та їх класифікація.

Фізико-хімічні методи аналізу (ФХМА) засновані на використанні залежності фізичних властивостей речовин (наприклад, світлопоглинання, електричної провідності тощо) від їхнього хімічного складу. Іноді у літературі від ФХМА відокремлюють фізичні методи аналізу, підкреслюючи тим самим, що у ФХМА використовується хімічна реакція, а у фізичних – ні. Фізичні методианалізу та ФХМА, головним чином у західної літератури, називають інструментальними, оскільки вони зазвичай вимагають застосування приладів вимірювальних інструментів. Інструментальні методи аналізу переважно мають свою власну теорію, відмінну від теорії методів хімічного (класичного) аналізу (титриметрії та гравіметрії). Базисом цієї теорії є взаємодія речовини із потоком енергії.

При використанні ФХМА для отримання інформації про хімічний склад речовини досліджуваний зразок впливають на будь-який вид енергії. Залежно від виду енергії в речовині відбувається зміна енергетичного стану частинок, що його складають (молекул, іонів, атомів), що виражається в зміні тієї чи іншої властивості (наприклад забарвлення, магнітних властивостей тощо). Реєструючи зміну цієї властивості як аналітичний сигнал, отримують інформацію про якісний і кількісний склад об'єкта, що досліджується, або про його структуру.

За видом енергії обурення та вимірюваної властивості (аналітичного сигналу) ФХМА можна класифікувати в такий спосіб (табл.2.1.1).

Крім перерахованих у таблиці існує безліч інших приватних ФХМА, які не підпадають під цю класифікацію.

Найбільше практичне застосування мають оптичні, хроматографічні та потенціометричні методи аналізу.

Таблиця 2.1.1.

Вид енергії обурення	Вимірювана властивість	Назва методу	Назва групи методів
Потік електронів (електрохімічні реакції в розчинах і на електродах)	Напруга, потенціал	Потенціометрія	Електрохімічні
	Струм поляризації електродів	Вольтамперо - метрія, полярографія
	Сила струму	Амперометрія
	Опір, провідність	Кондуктометрія
	Імпеданс (опір змінному струму, ємність)	Осцилометрія, високочастотна кондуктометрія
	Кількість електрики	Кулонометрія
	Маса продукту електрохімічної реакції	Електрограві-метрія
	Діелектрична проникність	Діелкометрія
Електромагнітне випромінювання	Довжина хвилі та інтенсивність спектральної лінії в інфрачервоній, видимій та ультрафіолетовій частинах спектру =10-3 .10-8 м	Оптичні методи (ІЧ - спектро-скопія, атомно-емісійний аналіз, атомно-абсорбційний аналіз, фотометрія, люмініс - центний аналіз, турбідиметрія, нефелометрія)	Спектральні
	Те ж саме, в рентгенівській області спектру =10-8 .10-11 м	Рентгенівська фотоелектронна, оже-спектроскопія