🗊Презентация Место курса «Методы исследования минералов» в системе естественных наук

Место курса «Методы исследования минералов» в системе естественных наук Все методы изучения вещественного состава по фундаментальной основе делятся на 3 группы: физические (оптические, гранулометрические, морфометрические, радиационные, магнитные, электрические, механические, термические и т.д.), физико-химические (спектральный, масс-спектрометрия, рентгено - флюоресцентный и др.) и химические (силикатный анализ, растворимость в кислотах и др.)

Методы исследования так же называют прецизионные По получаемым результатам среди методов исследования вещества различают: качественные (например, качественные химические реакции при диагностике минерала), приближенно-количественные, или полуколичесственные (например, полуколичественный спектральный анализ), количественные (например, количественный спектральный анализ), прецизионные (от англ. термина «precision» - точность). К прецизионным относят такие методы определения состава и свойств веществ, которые отличаются особо высокой точностью и чувствительностью (наивысшей в настоящее время).

Какие методы можно отнести к прецизионным К числу прецизионных методов можно отнести: Электронную микроскопию, Микрозондовый анализ, Синхронный термический метод, Атомно-абсорбционный анализ, Масс-спектрометрический анализ, Нейтронно-активационный анализ

Атомно-абсорбционный анализ, основа метода Атомно-абсорбционный анализ является самым распростра-ненным селективным методом определения содержания металлов, используемым в современной аналитической практике при выполнении массовых анализов. Атомно-абсорбционная спектрометрия с электротермической атомизацией (ЭТААС) отличается наиболее высокой чувствительностью, позволяет определять более 50 элементов на уровне содержаний 10-9 – 10-12 г. Область использования: геологические исследования, анализ особочистых веществ, реактивов, металлов и сплавов, геоэко-логия, биологических и клинических объектов, продовольствия, лекарств и т.д.

Особенности пробоподготовки Атомно-абсорбционный анализ производится по навеске анализируемого вещества массой порядка 1 г. Эта навеска должна быть полностью переведена в раствор, с тем, чтобы атомы определяемого элемента находились в растворе не будучи связанными друг с другом никакими силами. Перевод вещества в раствор производится разными способами в зависимости от его состава. Сред них растворение в кислотах, щелочах, сплавление и др. При этом для многих проб требуется операция диспергации, т.е. размельчения вплоть до разделения породы на отдельные мельчайшие частички. С этой целью применяют ультразвуковые диспергаторы. Другой операцией пробоподготовки является разложение образцов под давлением в закрытых сосудах (автоклавах). Образец в растертом состоянии смешивают с азотной кислотой или со смесью кислот. Температура нагрева составляет 250оС. Масса навески может быть увеличена до 2-3 г.

Пробоподготовка (продолжение) Вообще объем анализируемого образца подбирается с учетом ожидаемой концентрации в нем определяемого элемента. Существует специальная таблица для такого выбора, обеспечивающая наилучшую точность анализа. Если концентрация элемента в растворе окажется слишком велика, то потребуется его разбавление, а если низка, то, наоборот, дополнительное концентрирование с помощью экстрагентов или сорбентов. Разбавление допускается не более, чем в 100 раз. Для однократного определения содержания элемента в полученном растворе используется капля объемом от 0,005 до 0,1 мл (от 5 до 100 мкл), отбираемая с помощью автопипетки. Можно затем многократно отбирать такие капли из приготовленного раствора, повторять анализ и получать средний результат для многократных измерений.

Аппаратура для анализа Используется два главных направления атомно-абсорбцион-ного анализа, которые зависят от способа определения содержания элемента и соответствующей аппаратуры (атомизатора). Одним из направлений является использование графитовой печи, в которой при высокой температуре происходит мгновенное испарение вводимого раствора. Такая печь является основным элементом конструкции атомно-абсорбционного спектрометра. В графитовой трубчатой печи испарение пробы происходит в замкнутом объеме при ее нагревании электрическим током. Атомный пар определяемого элемента удерживается в полости графитовой печи в течение достаточно длительного времени (около 1 с). Оптимальная температура анализа выбирается в зависимости от определяемого элемента. Например, для кадмия – 1300оС, меди – 2100оС и для ванадия – 2700оС.

Процедура измерения Измерение содержания каждого элемента производится по очереди. При этом в приборе для каждого элемента имеется отдельная лампа, которая играет роль эталонного измерителя и обеспечивает сравнение замеренной концентрации с эталонной. В процессе испарения введенного в прибор раствора и доведения его до стадии атомизации на получаемом графике формируется отчетливо выраженный пик. Концентрация определяемых элементов в пробе отражается на высоте и площади этого пика. И то, и другое может быть замерено автоматически с помощью специальной программы. Внедрение в практику исследований графитовых атомизаторов позволило анализировать пробы не только в жидком, но и в порошкообразном состоянии, а также твердые образцы без предварительного растворения.

Заключение Другим вариантом атомизации является использование горелки с открытым пламенем. Атомно-абсорбционная спектроскопия является наиболее эффективным по производительности методом анализа различных материалов, в т.ч. сложных геологических образцов. Для анализа сложных многокомпонентных смесей используется предварительное групповое разделение и концентрирование элементов различными методами (химическими, экстракционными или хроматографическими). Те же операции применяются при определении малых концентраций элементов. Методом атомной абсорбции невозможно определение концентраций инертных газов, галогенов, С, H, O, S и P.

Нейтронно-активационный анализ Нейтронно-активационный анализ основан на способности большинства изотопов при их бомбардировке нейтронами, протонами, -частицами или γ-квантами испытывать ядерные превращения, сопровождающиеся излучениями γ-кванта, электрона, позитрона или -частицы. При этом происходит специфическое для данного изотопа освобождение энергии и фиксируется определенная скорость превращения (период полураспада). Перед проведением измерения исходные образцы истираются до состояния пудры или растворяются. Иногда допускается изготовление специальных мишеней. Дополнительно к этому исходные навески могут быть подвергнуты предварительному химическому разделению или обогащению.

Аппаратура для анализа Источником элементарных частиц или атомных ядер могут служить атомные реакторы с потоком тепловых нейтронов в канале облучения, импульсные реакторы с преобладанием быстрых нейтронов, генераторы нейтронов, ускорители заряженных частиц, а также отдельные изотопы высокой активности. В качестве детекторов излучения наиболее часто применяются полупроводниковые счетники на основе кремния (для регистрации заряженных частиц) и германия (для регистрации γ-квантов). В последнее время в эксплуатацию запущены полупроводниковые счетчики из теллурида кадмия, обладающие повышенной чувствительностью к γ-квантам и высоким разрешением линий спектра.

Области применения анализа Нейтронно-активационный анализ применяется для высокоточных определений содержания элементов и их изотопного состава. Масса используемой навески составляет порядка 1 г вещества. Чувствительность определения элементов зависит от условий облучения, выбранного метода регистрации и способа выделения анализируемого элемента. Обычно она лежит в пределах от 10-4-10-6 г для легких элементов (Al, Si, Mg) до 10-11 – 10-12 г для наиболее тяжелых элементов. В частности, метод применяется для определения содержания золота и платиноидов в сульфидных рудах, породах черносланцевой формации и др.

Для получения нейтронов могут быть использованы различные источники : Реакторы Некоторые реакторы используются для нейтронного облучения образцов при производстве радиоизотопов для различных целей. Образец для облучения может быть помещён в контейнер, который затем помещают в реактор. Если нет эпитепловых нейтронов, необходимых для облучения, то кадмий может быть использован для фильтрации тепловых нейтронов. Фузор Относительно простой фузор Фансуорта-Хирша может быть использован для создания нейтронов при экспериментах НАА. Преимуществом такого аппарата является то, что он компактен (настольный размер), и то, что его можно просто выключить и снова включить. Недостатком является то, что этот тип источника не будет производить поток нейтронов, которые могут быть получены с использованием реактора. Изотопный источник Очень часто в области реактора используется дорогой элемент, и его заменяют сочетанием источников α-излучения и бериллия. Эти источники, как правило, гораздо слабее, чем реакторы. Газоразрядные трубки Они могут быть использованы для создания импульсов нейтронов, и там, где распад целевого изотопа происходит очень быстро. Например, в нефтяных скважинах.

Детекторы Существует целый ряд детекторов, используемых в НАА. Большинство из них предназначены для обнаружения испускаемого гамма-излучения. Наиболее распространёнными типы детекторов: газ-ионизирующие, сцинтилляционные и полупроводниковые. Из них сцинтилляционные и полупроводниковые являются наиболее широко используемыми. 

Аналитические возможности НАА может обнаружить до 74 элементов в зависимости от экспериментальной процедуры. Чувствительность определения элементов лежит в пределах от10-4 до10ˉ6г для легких элементов (Al,Si,Mg) до 10-11 – 10-12 для наиболее тяжелых элементов. Более тяжелые элементы имеют большее ядро, поэтому они имеют большую площадь сечения захвата нейтрона и, скорее всего, будут активированы. Некоторые ядра могут захватывать нейтроны и остается относительно стабильным, не подвергаясь трансмутации или распаду в течение многих месяцев или даже лет. Другие ядра мгновенно распадаются, и образуются только стабильные изотопы, которые и могут быть идентифицированы по НАА.