Laboratorní práce

Stanovení těžkých kovů metodou atomové absorpční spektroskopie

Ing.Pavla Čudová, tel.: 22435 4147

Úvod:

Atomová absorpční spektroskopie je metoda kvantitativní elementární analýzy pro více než 60 prvků (převážně kovových). Vyznačuje se vysokou citlivostí a je pro prvek specifická-tzn. že lze stanovit prvek i v přítomnosti velkého přebytku doprovodných látek, bez předchozích složitějších separací a úprav.

Záření, které vychází ze zdroje a prochází absorpčním prostředím, vstupuje do monochromátoru. Vhodným nastavením polohy monochromátoru se výstupní štěrbinou vyizoluje ze spektra zdroje úzká část vlnových délek (monochromatické záření). Záření neabsorbované vzorkem pak dopadá na detektor, který přeměňuje zářivou energii na elektrický proud. Ten je dále zesílen a měřen na odečítacím přístroji (mikroampérmetr, měrný potenciometr, zapisovač, nebo digitální voltmetr).

Absorpce:

Při absorpčním měření se sleduje úbytek toku záření určité vlnové délky po průchodu absorpčním prostředím. Mírou intenzity absorpce je hodnota transmitance. Tato veličina je dána poměrem toku záření propuštěného absorbující soustavou (f) k toku vstupujícímu (f₀):

Transmitance vzorku se mění s vlnovou délkou záření a závisí na počtu absorbujících částic v prostředí dráhy paprsku, tedy na koncentraci částic a na tloušťce vrstvy, kterou paprsek prochází. Vztah mezi těmito veličinami popisuje Bouguerův-Lambertův-Beerův zákon:

, kde b je tloušťka vrstvy

N je počet absorbujících částic v objemové jednotce

a je absorpční koeficient (mění se s hodnotou l)

Zavedením transmitance do tohoto vztahu získáme rovnici:

Funkce:

se označuje jako absorbance a platí pro ni :

.

Přímá úměrnost mezi absorbancí a koncentrací částic platí přesně jen pro monochromatické záření a pro malé koncentrace účinné látky, kdy se neprojeví rušivě vliv prostředí.

Přístroje:

Úplný atomový absorpční spektrometr tvoří čtyři části:

a) Zdroj rezonančních čar stanovovaného prvku

b) Absorpční prostředí

c) Monochromátor k izolaci rezonanční čáry z prošlého záření

d) Indikační systém složený z detektoru, elektronického obvodu a měřidla k odečítání absorbance, popř. transmitance

ad a) Nejvhodnějším zdrojem záření je výbojka s dutou katodou. Tato lampa obsahuje kromě katody zhotovené z kovu, jehož emisní spektrum chceme získat, anodu z inertního kovu a je plněna při nízkém tlaku neonem. Obě elektrody jsou navzájem izolovány. Vloží-li se na ně dostatečně velké napětí, dochází k doutnavému výboji (vznikají ionty Ne⁺) a vzniklé ionty plynu vyrážejí z katody atomy sledovaného kovu. Ty se srážkami excitují a při deexcitaci vysílají čáry kovu, které jsou vzhledem k  nízké teplotě i tlaku velmi úzké.

ad b) Na realizaci absorpčního prostředí jsou kladeny mimořádné požadavky. Převedení roztoku vzorku na formu volných atomů v plynné fázi-tzv. atomizace (probíhá za teplot 2 000-3 000K). Rozlišujeme dva způsoby a to plamenový a bezplamenový způsob, tzv. elektrotermickou disociací.

1) Plamenový způsob: Roztok vzorku se převede na aerosol v rozstřikovači (buď vzduchem, nebo N₂O). V mlžné komůrce se smísí s palivem a dále postupuje do hořáku se štěrbinovým ústím (5-10 cm). Plamen nad touto štěrbinou tvoří absopční prostředí, kterým podélně prochází paprsek vstupujícího záření.

2) Elektrotermická (bezplamenová) atomizace: Roztok vzorku se nadávkuje do grafitové pícky (popř. wolframové či tantalové), která má válcovitý tvar, délku několik centimetrů a šířku několik milimetrů. Je umístěna v dráze primárního záření. Prochází třemi fázemi ohřevu. V první fázi do 120°C dojde k odpaření rozpouštědla (většinou vody), Při druhé fázi za teploty 500°C probíhá pyrolýza a mineralizace organických látek a ve třetí fázi při teplotě 2000-3000°C dochází k vlastní atomizaci vzorku.

ad c) Záření z absorpčního prostředí vstupuje do monochromátoru, v němž se izoluje vhodná rezonanční čára, na níž se sleduje absorbance. Monochromátor se skládá ze vstupní a výstupní štěrbiny, dutých zrcadel a odrazné otočné rovinné mřížky. Tato mřížka slouží jako disperzní prvek, který rozděluje paprsek polychromatického záření na „vějíř „ paprsků jednotlivých vlnových délek na základě odlišného indexu lomu.

Monochromátor, kde 1 je vstupní štěrbina

2 je výstupní štěrbina

3 je mřížka

4 a 5 jsou dutá zrcadla

Postup práce:

A) Ředění vzorků:

Vzorky nařeďte 10´, 100´ a 1000´. Je totiž nutné ředit vzorky s vysokými koncentracemi sledovaného prvku, neboť kalibrační křivka při těchto koncentracích není lineární, ale zatáčí se, čímž způsobuje nepřesnost měření.

B) Kalibrační roztoky:

Připravte kalibrační roztoky Cu , Zn, Mg a Ca.

C) Měření na spektrofotometru:

1) Zapněte kompresor, počítač, spektrofotometr, větrák a pusťte do aparatury acetylen.

2) Do bočního otvoru ve spektrofotometru zasuň příslušnou lampu.

3) Na počítači spusťte program AA-6200. Poté spusťte prováděcí program Wizard.

4) Kliknutím na okénko CONNECT dejte systému signál, aby propojil počítač s přístrojem. Po připojení klikněte na okénko OK.

5) Do okénka s nápisem MEASURE napište značku prvku, který chcete měřit a pak klikněte na tlačítko NEXT.

6) Objeví se okénko s příslušnými parametry měření charakteristickými pro daný prvek. Klikněte na tlačítko LINE SEARCH a poté DO LINE SEARCH. Nastavíte tak do správné polohy monochromátor, který propustí záření o vlnových délkách specifických pro daný prvek. Poté klikněte na okénko CLOSE.

7) Otáčením koleček na boku přístroje nastavte lampu do takové polohy, aby se v okénku označeném max. objevila maximální hodnota proudu.

8) Opět klikněte na LINE SEARCH, aby se po manipulaci s lampou monochromátor opět nastavil do vhodné polohy.

9) V dalším dialogovém okně vám počítač nabízí připojení automatického podavače vzorků. Jelikož s ním nebudeme pracovat, klikněte na okénko NEXT.

10) Nastavíme si parametry kalibrační křivky. Do tabulky napíšeme hodnoty koncentrací kalibračních roztoků a nastavíme jednotku koncentrace.

11) U nápisu PERIODIC BLANK MEASUREMENT zaškrtněte možnost ENABLE. Zvolíte si tak počet měření, po kterých bude následovat slepý pokus.

12) V dalším okně si nastavte počet vzorků, popřípadě si je pojmenujte.

13) Po kliknutí na okénko NEXT se objeví doporučené hodnoty průtoku vzduchu a acetylenu v litrech za minutu. Nastavte tyto průtoky na spektrofotometru. Klikněte na okénko FINISH.

14) Kalibrační roztoky a poté roztoky vzorků naměříte tak, že ponoříte do roztoku hadičku, která ho nasaje a na počítači zmáčknete okénko START. Hodnoty koncentrací se vám objeví na displeji.