化学实验报告原子发射光谱法

一、 实验目的和要求

1、 熟悉光谱定性分析的原理；

2、 了解石英棱镜摄谱仪的工作原理和基本结构；

3、 学习电极的制作摄谱仪的使用方法及暗室处理技术；

4、 学会用标准铁光谱比较法定性判断试样中所含未知元素的分析方法； 5、 根据特征谱线的强度及最后线出现的情况对元素含量进行粗略的估计； 6、 掌握映谱仪的原理和使用方法。

二、 实验内容和原理

1、 摄谱

原子在受到一定能量的激发后，其电子在由高能级向低能级跃迁时将能量以光辐射的形式释放，各种元素因其原子结构的不同而有不同的能级，因此每一种元素的原子都只能辐射出特定波长的光谱线，它代表了元素的特征，这是发射光谱定性分析的依据。

一个元素可以有许多条谱线，各条谱线的强度也不同。在进行光谱定性分析时，并不需要找出元素的所有谱线，一般只要检查它的几条(2~3条)灵敏线或最后线，根据最后线(灵敏线)是否出现，它们的强度比是否与谱线所表示的相符，就可以判断该元素存在与否。

经典电光源的试样处理：

1) 固体金属及合金等导电材料的处理

棒状金属表面用金刚砂纸除氧化层后，可直接激发。

碎金属屑用酸或丙酮洗去表面污物，烘干后磨成粉末状后，最好以1:1与碳粉混合，在玛瑙研钵中磨匀后装入下电极孔内再激发。 2) 非导体固体试样及植物试样

非金属氧化物、陶瓷、土壤、植物等试样经灼烧处理后，磨细，加入缓冲剂及内标，置于石墨电极孔中用电弧激发。 3) 液体试样处理

液体样品经稀释后，滴到用液体石蜡涂过的平头石墨电极上，在红外灯下烘干后进行光谱分析。

摄谱法是用感光板记录光谱。将光谱感光板置于摄谱仪焦面上，接受被分析试样的光谱作用而感光，再经过显影、定影等过程后，制得光谱底片，其上有许多黑度不同的光谱线。然后用影谱仪观察谱线位置及大致强度，进行光谱定性及半定量分析。用测微光度计测量谱线的黑度，进行光谱定量分析。

用发射光谱进行定性分析通常采用在同一块感光板上并列地摄取试样光谱和铁光谱，然后借助光谱投影仪使摄得的铁光谱与“元素标准光谱图”上的铁光谱重合，从“元素标准光谱图”上标记的谱线来 辨认摄得的试样谱线。

本实验可对粉末样品进行指定元素的定性分析或全元素分析。 2、 译谱

不同种类的元素因其内部原子结构的不同，在光源的激发下，将发射出其特征谱线，据此可确定是否有某些元素的存在。在实际定性分析中，将所摄谱板放置在光谱投影仪上，经20倍放大后，以标准铁光谱图作为波长基准，选用2~3条灵敏线或其特征谱线组进行该元素的定性判断，并粗略估计含量。半定量分析的含量表示方法如下表所示。

半定量分析的含量表示方法

估计含量/% 表示方法 1 2 3 4 5 100~1 1~0.1 0.1~0.01 0.01~0.001 <0.001 0 大量 中量 小量 微量 痕量 无 ＋＋＋＋＋ ＋＋＋＋ ＋＋＋ ＋＋ ＋ — 5 4 3 2 1 0 2 1 0 -1 -2 -3 直接报含量范围 三、 仪器与试剂

仪器：中型石英棱镜摄谱仪；交流电弧发生器；天津紫外II型(6cm×9cm)感光板；铁电极(摄铁光谱用)；

光谱纯石墨电极(上电极为圆锥形，下电极有孔，孔径为3.2mm，孔深3~4mm)。

试剂：粗SiO2；光谱纯碳棒(检查碳棒纯度)；显影液(A液、B液)，配好的A液、B液分别储存于棕色

瓶中，使用前以1:1混合，并调至18~12℃使用，组成见表1；定影液，组成见表2。

表1 显影液组成 A液 2g 10g 52g B液 无水碳酸钠(碱加速剂) 溴化钾 用水溶解并稀释至1000mL 44g 2g 米吐尔(硫酸对氨基酚，还原剂) 海得努(对苯二酚，还原剂) 无水硫酸钠(保护剂) 用水溶解并稀释至1000mL 表2 定影液组成 五水硫代硫酸钠(络合剂) 无水亚硫酸钠 冰醋酸 硼酸 钾明矾 用水溶解并稀释至1000mL

240g 15g 15mL 7.5g 15g 四、 操作方法和实验步骤 (一)、摄谱

1、 摄谱前的准备工作

1) 加工电极和装样。将数根碳棒一端打磨成圆锥形，作为上电极和摄碳谱的下电极；用金刚砂纸打磨

去铁棒一端的氧化层，用于摄铁谱；将粉末样品装入电极小孔中，装紧压实，注意不能沾污。将加工好的电极插在电极盘上备用。 2) 感光板的安装。在暗室中将感光板乳剂膜向下装入摄谱仪的暗盒中，盖紧盒盖，检查板盒，切勿漏

光。然后将暗盒装在摄谱仪上，抽开挡板，调节合适的板移位置。 3) 检查仪器，将所有开关都置于关的位置，然后接通总电源。

2、 摄谱

1) 打开电极照明灯，先装上电极，后装下电极(拍摄标准：铁光谱时铁棒为下电极，碳谱时换成碳棒，

拍摄样品光谱时换成装样品的石墨电极)，调节电极架上的螺母，使上下电极成像于遮光板小孔(3.2mm)两侧，调好后，关掉照明灯，打开快门。

2) 将暗盒装在摄谱仪上，拉开挡板，调节合适的板移位置，调节狭缝和遮光板，插入哈特曼光阑(TV-10)

(使用哈特曼光阑是为了在摄谱时避免由于感光板移动带来的机械误差，从而造成分析时摄取的铁

谱与试样光谱的波长位置不一致)，设置好移动光阑位置，再分别合上电闸摄谱，并记录好摄谱条件(狭缝宽度、遮光板、极距、光源、电流、曝光时间等)。摄谱结束，推进暗盒挡板，取下暗盒。

3、 感光板的冲洗

1) 准备工作。取适量配好的显影液和定影液分别倒入2只搪瓷盘内，另备一盘清水。调节显影液温度

为18~20℃。 2) 显影及定影。在暗室中弱红灯下从暗室盒中取出感光板，先把感光板放在清水中湿润，然后放入显

影液中显影(乳剂面向上！)。在显影过程中要不断摇动搪瓷盘使显影均匀。30s左右取出感光板放入清水中略加漂洗，然后放入定影液中，摇动定影液，20min后可开白灯，继续定影至感光板未曝光部分的淡黄色乳剂膜完全退去而呈透明为止。最后将感光板放入流水中冲洗10min后，取出晾干，备用.

(二)译谱

1、开启光谱投影仪电源开关和反射镜盖，将所摄的谱片放在光谱投影仪的谱片架上，注意将乳剂面向上，长波置于左侧。将摄得的谱线投影在白色投影屏上，通过手轮调节至谱线清晰。 2、熟悉和牢记1~15号“标准光谱图”中铁光谱的标志性谱线(即粗且黑又便于记忆)的位置与波长，以标准铁光谱图作为波长基准(将谱片上的铁光谱与标准铁光谱的相关谱线对齐)，从短波处(谱板的左端)开始进行译谱。 3、如果指定找出某元素时，则先从元素谱线表中选择该元素两条以上的灵敏线或特征线组，按照这些灵敏线或特征线的波长，利用相应的“元素标准谱图”作对照，进行查找。如果试样光谱中出现这些灵敏线或特征谱线，则可初步确定样品中有此元素；当发现所用的灵敏线或其他元素的谱线相重叠时，则需要进一步查找干扰元素强度较大或相同的其他谱线。若这些谱线不出现，便可确定待测元素的存在。 4、如果做全分析，首先初步观察全光谱，找出强度最大的谱线，以确定试样中的主要成分，必要时，可利用元素谱线表了解该元素可能出现的波长，以便了解所摄谱的情况，然后从短波向长波方向查找试样中出现的谱线，并用“元素标准谱图”对照，记录该谱线的波长及所代表的元素。最后根据出现的灵敏线并排除可能产生的干扰，找出可靠的结果。 5、取下谱板，关电源，盖好“平面反射镜”盖板，罩好仪器。

五、 实验结果与分析

1、摄谱

(1) 数据记录及处理。

实验数据记录表

板移位置 45 45 45 样品 铁棒 碳棒 试样 光阑位置 2、5、8 3 4 曝光时间 15s 2min 2min (2) 光谱定性分析合适摄谱条件的选择。

a. 中心波长：依据分析试样所需的波长范围选用中心波长。照仪器说明书给出指标，某中心波长所

对应的光栅转角、狭缝调焦和狭缝倾角等设置仪器参数。

b. 狭缝宽度：宽窄要合适，太窄透光不够，谱线不清楚，太宽透光过量，谱线变宽，容易重

叠。 c. 电极距离：打开电极照明灯，调节电极架上的螺母，使上下电极成像于遮光板小孔(3.2mm)两侧

即可。 (3) 结合理论教学的内容，讨论火焰光源和ICP光源的优劣。

火焰光源设备简单、便宜，稳定性很好，但弧焰温度为2000~3000K，激发效率比较差，所以灵敏度比较低，主要适用于溶液、碱金属和碱土金属；ICP光源设备较复杂、昂贵，稳定性也很好，弧焰温度为6000~8000K，激发效率较高，所以灵敏度高，主要适用于溶液、难激发元素以及其他大多数元素。相比之下，ICP光源更好一些。 2、译谱

(1) 数据记录及处理。

实验数据记录表 波长/A 2435.2 2438.8 2443.4 2452.1 2478.6 2506.9 2514.3 2516.1 2519.2 2524.1 元素及其谱线性质 SiI6 SiI3 SiI3 SiI3 CI4 SiI8 SiI8 SiI9 SiI7 SiI9 波长/A 2528.5 2532.4 2534.0 2535.6 2553.3 2554.9 2568.6 2631.3 2669.2 2776.7 元素及其谱线性质 SiI8 SiI3 PI5 PI6 PI6 PI5 SiI2 SiI5 AlII1 MgI5 波长/A 2778.3 2779.8 2781.4 2783.0 2790.8 2795.5 2802.7 2852.1 2881.6 2936.9 元素及其谱线性质 MgI5 MgI6 MgI5 MgI5 MgII4 MgII9 MgII9 MgI10 SiI9 MgI3 波长/A 2970.3 2987.6 3057.2 3066.2 3082.2 3092.7 3096.9 3093.0 元素及其谱线性质 SiI2 SiI5 AlI2 AlI2 AlI8 AlI9 MgI6 MgI5 (2) 样品中存在的主要元素有哪些？

由谱线分析，样品中存在的主要元素有Si、P、Al、Mg。

(3) 样品中可能存在的杂质元素有哪些？

样品可能受到电极上的石墨沾污，所以样品中可能有C元素；电极夹上可能残留有铁电极激发时的残渣，装电极时会沾污样品，所以样品中可能有Fe元素。

(4) 判断待测试样光谱中存在某一元素，为什么要出现该元素的三条以上的灵敏线？

因为如果只见到某元素的一条谱线，有可能是其它元素谱线的干扰，所以不可断定该元素确实存在于试样中。如果有三条或三条以上的灵敏线，则这些谱线都是被干扰的概率就非常小，可以确定该元素的存在。

六、 思考题

1、 拍摄铁谱和碳谱的目的是什么？

答：摄取铁光谱是由于铁的光谱谱线较多，而且每条谱线的波长都已经精确测定，并载于谱线表内，因此可以用铁个谱线作为波长的标尺，进而确定其它元素的谱线位置。拍摄碳谱的是为了得到空白试样来与被测试样作比较。

2、 光谱定性分析以何种光源最好？为什么？

答：光源的选择依据主要是试样的性质、形状、含量高低和光源特性，而需要比较的光源参数主要有激发温度、稳定性、灵敏度和适用范围。根据这些综合分析，ICP(电感耦合高频等离子体)光源最好。因为它检出限低，稳定性好，精密度、准确度高，自吸效应、基体效应小，选择合适的观测高度时光谱背景小。但是ICP光源也有局限性，即对非金属测定灵敏度低，仪器价格昂贵，维持费用较高。

3、 在光谱定性分析中，拍摄铁光谱和试样光谱时，为什么是固定暗盒的位置而移动光阑而不能固定光

阑而移动暗盒？

答：因为本次测定样品较少，所以选择固定暗盒而移动光阑。当需要测定的样品很多时，就应固定光阑而移动暗盒。

4、 元素光谱图由哪些内容所组成？如何使用？

答：标准光谱图是在相同条件下，在铁光谱上方准确地绘出68种元素的逐条谱线并放大20倍的图片。在进行分析工作时将试样与纯铁在完全相同条件下并列并且紧挨着摄谱，摄得的谱片置于映谱仪上；谱片也放大20倍，再与标准光谱图进行比较。比较时首先须将谱片上的铁谱与标准光谱图上的铁谱对准，然后检查试样中的元素谱线。若试样中的元素谱线与标准图谱中标明的某一元素谱线出现的波长位置相同，即为该元素的谱线。

5、 光谱定性分析通常有哪几种方法？分别适合于什么情况下使用？

答：(1) 标准试样光谱比较法：将要检出元素的纯物质或纯化合物与试样并列摄谱于同一感光板上，在映谱仪上检查试样光谱与纯物质光谱。若两者谱线出现在同一波长位置上，即可说明某一元素的某条谱线存在。本方法简单易行，但只适用于试样中指定组分的定性。

(2)铁光谱比较法：对于复杂组分及其光谱定性全分析，需要用铁的光谱进行比较。采用铁的光谱作为波长的标尺，来判断其他元素的谱线。

(3)波长比较法：当上述两种方法均无法确定未知试样中某些谱线属于何种元素时，可以采用波长比较法。即准确测出该谱线的波长，然后从元素的波长表中查出未知谱线相对应的元素进行定性。 6、 光谱定性分析是否可用同时选用原子谱线和离子谱线？

答：可以使用。但是对于原子发射光谱法，相同浓度的同一元素的原子发射线强度与离子发射线的强度是不一样的，因此，要使用不同的谱线，就要对每一条谱线都作校准曲线。 7、 译谱如何判断元素间的干扰？

答：当所查元素有其它元素谱线与之重叠时，需进一步查找干扰元素的灵敏线，若这些谱线不出现，则可确定待检出元素存在。当样品中存在高含量的元素时，需考虑其非灵敏线是否可能干扰待检出元素的灵敏线，此时可借助元素谱线表了解该元素可能出现的谱线，若该元素谱线仅有一条与待检出元素灵敏线重叠，则可用待检出元素另一同强度灵敏线验证。

七、 讨论、心得

1、实验操作注意点

(1) 电极夹温度很高，操作时一定要戴上石棉手套。 (2) 电极夹上如有溅出的样品，应用毛刷清理干净。

(3) 先装上电极再装下电极，并且注意不要让电极夹上的残留物沾污电极和样品。 (4) 透镜及狭缝的保护和使用要特别小心谨慎。

(5) 激发光源为高电压、大电流装置，实验时应遵守操作规程，注意安全。

(6) 除了拍摄碳谱之外，拍摄其余样品的谱图之后都要更换上电极，防止被上一次样品的残留物沾污，

影响下一次的拍摄结果。

(7) 将粉末试样装入下电极小孔中，为防止燃弧时试样喷溅，可以用干净小玻璃棒压紧，同时操作过程

中要防止试样污染。

(8) 在暗室中将感光板装入板盒，切记勿把感光板装反方向，然后把板盒装在摄谱仪上，此过程切勿使

感光板曝光。

2、摄谱仪的基本结构组成

摄谱仪是用来观察光源的光谱的仪器，主要由照明系统、准光系统、色散系统及投影系统构成。 a. 照明系统：作用是将光源产生的光均匀地照明于狭缝上。

b. 准光系统：作用是将通过狭缝的光源辐射经过准光镜变成平行光束照射在分光系统(色散系统)上。 c. 色散系统：棱镜或光栅，其作用是将光源产生的光分开，成为分立的谱线。

d. 投影系统：作用是将摄得的谱片进行放大，并投影在屏上以便观察。 e. 黑度计：定量分析时需要，用于观测谱线黑度。 f. 比长仪：定量分析时需要，用于测量谱线间距。

3、元素的共振线、灵敏线、最后线、分析线以及它们之间的联系

共振线(resonance line)是由激发态向基态跃迁所发射的谱线。共振线具有最小的激发电位，因此最容易被激发，为该元素最强的谱线。

灵敏线(sensitive line)是元素激发电位低、强度较大的谱线，多是共振线(resonance line)。

最后线(last line)是指当样品中某元素的含量逐渐减少时，最后仍能观察到的几条谱线。它也是该元素的最灵敏线。

分析线(analytical line)是指进行分析时所使用的谱线。由于共振线是最强的谱线，所以在没有其它谱线干扰的情况下，通常选择共振线作为分析线。