第10章原子吸收精.ppt
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1、第第10章原子吸收章原子吸收2022/10/15第1页,本讲稿共69页2022/10/15第2页,本讲稿共69页10.1 概述概述 原子吸收现象:原子蒸气对共振辐射吸收的现象;1802年人们已发现了原子吸收现象;1955年以前,一直未用于分析化学,为什么?澳大利亚物理学家 Walsh A(瓦尔西)发表了著名论文:原子吸收光谱法在分析化学中的应用 奠定了原子吸收光谱法的基础,之后迅速发展。成为微量、痕量金属元素的重要分析方法。2022/10/15第3页,本讲稿共69页特点:特点:(1)灵敏度高,10-910-12 gmL-1;(2)选择性好,准确度高,1%5%;一般情况下共存元素不干扰;(3)应
2、用广,可测定70多个元素(各种样品中);(4)操作简便,分析速度快。局限性局限性:难熔元素、非金属元素测定困难、不能同时测定多元素2022/10/15第4页,本讲稿共69页10.2 原子吸收光谱法基本原理 试样所产生的原子蒸气中基态原子对其特征谱线的吸收,以定量测定化学元素的分析方法。10.2.1 共振线和吸收线共振线和吸收线1.1.原子的能级与跃迁原子的能级与跃迁 基态第一激发态,吸收一定频率的辐射能量。产生共振吸收线(简称共振线)吸收光谱 激发态基态 发射出一定频率的辐射。产生共振吸收线(也简称共振线)发射光谱2022/10/15第5页,本讲稿共69页2.2.元素的特征谱线元素的特征谱线(
3、1)(1)各种元素的原子结构和外层电子排布不同各种元素的原子结构和外层电子排布不同 基态基态第一激发态第一激发态:跃迁吸收能量不同跃迁吸收能量不同,具有特征性具有特征性。(2)(2)各种元素的基态各种元素的基态第一激发态第一激发态 最易发生,吸收最强,最灵敏线。特征谱线。最易发生,吸收最强,最灵敏线。特征谱线。(3)(3)利用特征谱线可以进行定量分析利用特征谱线可以进行定量分析原子蒸汽I0Itrb2022/10/15第6页,本讲稿共69页 K 元素的能级图元素的能级图2022/10/15第7页,本讲稿共69页3.3.吸收峰形状吸收峰形状(1)原子结构较分子结构简单,理论上应产生线状光谱吸收线。
4、(2)实际上用特征吸收频率辐射光照射时,获得一峰形吸收(具有一定宽度)。(3)原子对不同频率入射光的吸收具有选择性,因而I 和吸收系数Kv 随着入射光的频率而变化。2022/10/15第8页,本讲稿共69页4.4.表征吸收线轮廓(峰)的参数表征吸收线轮廓(峰)的参数 入射频率为0处,透过光强度最小,即吸收最大,原子蒸气在频率0处有吸收线。半宽度:半宽度:最大吸收系数一半(K/2)处所对应的频率差或波长差,用或表示。中心频率或中心波长:中心频率或中心波长:最大吸收系数所对应的频率或波长称为中心频率或中心波长。峰值吸收系数(峰值吸收系数(K0):):中心频率或中心波长处的最大吸收系数又称为峰值吸收
5、系数。2022/10/15第9页,本讲稿共69页5.5.吸收峰变宽原因吸收峰变宽原因(1)(1)照射光具有一定的宽度。照射光具有一定的宽度。(2)(2)多普勒变宽(温度变宽)多普勒变宽(温度变宽)D 多普勒效应:一个运动着的原子发出的光,如果运动方向离开观察者(接受器),则在观察者看来,其频率较静止原子所发的频率低,反之,高。(3)(3)劳伦兹变宽和赫鲁兹马克变宽劳伦兹变宽和赫鲁兹马克变宽 劳伦兹变宽:待测原子和其他原子碰撞。赫鲁兹马克变宽:同种原子碰撞。2022/10/15第10页,本讲稿共69页在一般分析条件下在一般分析条件下 D为主。为主。0:谱线的中心频率;T :热力学温度。M:原子的
6、相对质量。待测原子的相对原子质量越小,温度越高,则吸收线待测原子的相对原子质量越小,温度越高,则吸收线轮廓变宽越显著。轮廓变宽越显著。2022/10/15第11页,本讲稿共69页10.2.2 热激发时基态原子和激发态原子的分配 在高温过程中,待测元素由分子离解成的原子,不可能全部成为基态原子,必有部分为激发态原子。待测元素分子基态原子蒸汽原子化高温激发态原子特征频率光不希望发生的过程高温,热激发 原子蒸气中基态原子与待测元素原子总数之间有什么关系?其分布状况如何?2022/10/15第12页,本讲稿共69页 在一定温度下,热力学平衡时,激发态原子数与基态原子数之比服从玻茨曼分布定律:Nj 激发
7、态原子数;N0 基态原子数 Pj 激发态统计权重;P0 基态统计权重 k 玻茨曼常数;T 热力学温度 Ej、E0 分别为激发态和基态能级的能量 在原子光谱中,对一定波长的谱线,已知Pj/P0和Ej,火焰温度确定后,可求得 Nj/N0 值。2022/10/15第13页,本讲稿共69页表10-1 几种元素共振线的Nj/N0值2022/10/15第14页,本讲稿共69页10.2.3 原子吸收法的定量基础1.1.积分吸收积分吸收 原子蒸气所吸收的全部能量,在原子吸收光谱法中称为积分吸收,图中吸收线下面所包括的整个面积。c 光速e 电子电荷m 电子质量N 基态原子数f 振子强度一种绝对测量方法,现在的分
8、光装置无法实现。一种绝对测量方法,现在的分光装置无法实现。2022/10/15第15页,本讲稿共69页2.2.峰值吸收峰值吸收 钨丝灯光源和氘灯,经分光后,光谱通带0.2 nm。而原子吸收线的半宽度:10-3 nm。图示。用一般光源照射时,吸收光强度变化仅为0.5%。灵敏度极差。1955年瓦尔什提出用测定峰值吸收系数 K0 来代替积分吸收系数K的测定。并采用锐线光源测量谱线的峰值吸收。2022/10/15第16页,本讲稿共69页峰值吸收系数的测量峰值吸收系数的测量 吸收系数K随入射光峰值吸收系数波长改变;峰值吸收系数K0:常数。如何测定峰值吸收系数K0?采用锐线光源,为什么?2022/10/1
9、5第17页,本讲稿共69页K0值测量的前提条件值测量的前提条件:(1)(1)发射线的中心频率发射线的中心频率=吸收线的中心频率吸收线的中心频率(2)(2)发射线的半宽度发射线的半宽度 吸收线的半宽度吸收线的半宽度 锐线光源发射线的半宽度只有吸收线半宽度的1/51/10,其积分吸收与峰值吸收非常接近,因此可以用K0代替K 如何产生锐线光源?空心阴极灯空心阴极灯2022/10/15第18页,本讲稿共69页3.定量基础定量基础在一定实验条件下:在一定实验条件下:N c2022/10/15第19页,本讲稿共69页10.3 原子吸收光谱仪单光束型和双光束型两种单光束型和双光束型两种2022/10/15第
10、20页,本讲稿共69页10.3.1 结构流程结构流程 请请注注意单色器意单色器的位置。的位置。是否可放在原子是否可放在原子化系统前。化系统前。为什么?为什么?2022/10/15第21页,本讲稿共69页10.3.2 光源光源空心阴极灯空心阴极灯1.1.作用作用 提供待测元素的特征谱线。为获得较高的灵敏度和准确度,光源应满足如下要求:(1 1)能发射待测元素的共振线;)能发射待测元素的共振线;(2 2)能发射锐线;)能发射锐线;(3 3)辐射光强度大,)辐射光强度大,稳定性好。稳定性好。2.2.空心阴极灯空心阴极灯 结构如图所示2022/10/15第22页,本讲稿共69页3.3.空心阴极灯的原理
11、空心阴极灯的原理 施加适当电压时,电子将从空心阴极内壁流向阳极;与充入的惰性气体碰撞而使之电离,产生正电荷,其在电场作用下,向阴极内壁猛烈轰击;使阴极表面的金属原子溅射出来,溅射出来的金属原子再与电子、惰性气体原子及离子发生撞碰而被激发,出现了阴极物质和内充惰性气体的光谱。2022/10/15第23页,本讲稿共69页用不同待测元素作阴极材料,可制成相应空心阴极灯用不同待测元素作阴极材料,可制成相应空心阴极灯。空心阴极灯的辐射强度与灯的工作电流有关。优缺点:优缺点:(1)辐射光强度大,稳定,谱线窄,灯容易更换。(2)每测一种元素需更换相应的灯。2022/10/15第24页,本讲稿共69页10.3
12、.3 原子化系统原子化系统作用作用待测离子转变成原子蒸气。原子化方法原子化方法 火焰法:火焰法:结构简单、操作方便,准确度和重现性较好,雾化效率低,试样用量大。无火焰法:无火焰法:原子化效率和测定灵敏度高;精密度不如火焰法,复杂。原子化系统是原子吸收光谱仪的核心原子化系统是原子吸收光谱仪的核心2022/10/15第25页,本讲稿共69页1.1.火焰原子化装置火焰原子化装置(1)雾化器雾化器作用:作用:将试液雾化。要求:要求:喷雾稳定、雾滴细小、均匀和雾化效率高。结构:结构:同心雾化器。(动画)(动画)2022/10/15第26页,本讲稿共69页2022/10/15第27页,本讲稿共69页(2)
13、(2)燃烧器燃烧器作作用用:形成火焰,使进入火焰的试样微粒原子化。过过程程:试液雾化后进入雾室,与燃气充分混合,进入火焰中。(动画)(动画)2022/10/15第28页,本讲稿共69页(3)(3)火焰火焰 试样雾滴在火焰中,经蒸发,干燥,离解(还原)等过程产生大量基态原子。火焰温度的选择火焰温度的选择:(a)保证待测元素充分离解为基态原子的前提下,尽量采用低温火焰;(b)火焰温度越高,产生的热激发态原子越多;(c)火焰温度取决于燃气与助燃气类型,常用空气-乙炔,最高温度2600K,能测35种元素。2022/10/15第29页,本讲稿共69页火焰类型:火焰类型:化学计量火焰化学计量火焰:温度高,
14、干扰少,稳定,背景低,常用。富燃火焰富燃火焰:还原性火焰,燃烧不完全,测定较易形成难熔氧化物的元素Mo、Cr稀土等。贫燃火焰贫燃火焰:氧化性火焰,火焰温度低,适用于碱金属测定。2022/10/15第30页,本讲稿共69页空气空气乙炔火焰:乙炔火焰:用途最广的一类火焰;最高温度约2600K,能测定35种以上的元素;燃烧速度稳定,重复性好,噪声低,易形成难离解氧化物的元素时灵敏度度较低,不宜使用;在短波范围内对紫外线吸收较强,易使信噪比变低;乙炔可用高压乙炔钢瓶供应。2022/10/15第31页,本讲稿共69页氧化亚氮氧化亚氮乙炔火焰:乙炔火焰:最高温度达3300K左右。可形成强还原气氛;可以测定
15、约70多种元素;特别能用于测定空气乙炔火焰所不能分析的难离解元素,如Al、B、Be、Ti、V、W、Si等,可消除在其他火焰中可能存在的化学干扰现象。2022/10/15第32页,本讲稿共69页表10-2 火焰温度及燃烧速度2022/10/15第33页,本讲稿共69页2.2.无火焰原子化装置无火焰原子化装置(1)石墨炉原子化器石墨炉原子化器 电源、炉体和石墨管组成2022/10/15第34页,本讲稿共69页原子化过程原子化过程:原子化过程分为原子化过程分为干燥干燥、灰化灰化(去除基体去除基体)、原子化原子化、净化净化(去除残去除残渣渣)四个阶段四个阶段,待测元素在,待测元素在高温下生成基态原子高
16、温下生成基态原子。2022/10/15第35页,本讲稿共69页(2)(2)氢化物原子化装置氢化物原子化装置 主要应用于主要应用于:As、Sb、Bi、Sn、Ge、Se、Pb、Ti等 (火焰法中,火焰分子对其共振线有吸收,灵敏度很低)原理原理:在酸性介质中,与强还原剂硼氢化钠反应生成气态氢化物(原子化温度700900 C):AsCl3+4NaBH4+HCl+8H2O=AsH3+4NaCl+4HBO2+13H2 将待测试样在专门的氢化物生成器中产生氢化物,送入原子化器中检测。特点特点:原子化温度低,灵敏度高,干扰小;氢化物均有毒;精密度差;2022/10/15第36页,本讲稿共69页10.3.4 分
17、光系统分光系统1.1.作用作用 将待测元素的共振线与邻近线分开。2.2.组件组件 色散元件(棱镜、光栅),凹凸镜、狭缝等。3.3.单色器性能参数单色器性能参数 (1)线色散率线色散率(D)两条谱线间的距离与波长差的比值 X/。实际工作中常用其倒数/X (2)分辨率分辨率 仪器分开相邻两条谱线的能力。用该两条谱线的平均波长与其波长差的比值/表示。(3)通带宽度通带宽度(W)指通过单色器出射狭缝的某标称波长处的辐射范围。当倒色散率(D)一定时,可通过选择狭缝宽度(S)来确定:W=D S2022/10/15第37页,本讲稿共69页10.3.5 检测系统检测系统 主要由检测器(光电倍增管、光电二极管阵
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- 10 原子 吸收
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