实验室用火焰原子化器之火焰种类
原子吸收测定中最常用的火焰是空气一乙炔火焰,此外,应用较多的是乙炔一氧化亚氮高温火焰和氢一空气火焰以及空气一丙烷火焰。
1.空气一乙炔火焰
(1)火焰的类别。
空气一乙炔火焰是原子吸收光谱分析最常用的火焰,燃烧稳定、重现性好、噪声低、燃烧速度不是很大、温度足够高(约2300℃),对大多数元素有足够的灵敏度。乙炔在燃烧过程中产生的半分解物C*、CO*、CH*等活性基团,构成强还原气氛,特别是富燃火焰,具有较好的原子化能力。用这种火焰可测定约35种元素。在化学计量火焰中,大多数元素都呈现最佳灵敏度。
①贫燃火焰。当燃气与助燃气之比小于化学反应所需量时,就产生贫燃火焰。其空气与乙炔之比为4:1至6:1.火焰清晰,呈淡蓝色。由于大量冷的助燃气带走火焰中的热量,所以温度较低。由于燃烧充分,火焰中半分解产物少,还原性气氛低,不利于较难离解元素的原子化,不能用于易生成单氧化物元素的分析。但温度低对易离解元素的测定有利。
②富燃火焰。燃气与助燃气之比大于化学反应量时,就产生富燃火焰。空气与乙炔之比为4:(1.2～1.5)或更大,由于燃烧不充分,半分解物浓度大,具有较强的还原气氛。温度略低于化学计量火焰,中间薄层区域比较大,对易形成单氧化物难离解元素的测定有利,但火焰发射和火焰吸收及背景较强,干扰较多,不如化学计量火焰稳定。
③化学计量焰。又称中性火焰,这种火焰的燃气及助燃气基本上是按照它们之间的化学反应式提供的。对空气乙炔火焰,空气与乙炔之比为4:1。火焰是蓝色透明的,焰头坚挺,蓝色锥芯稍大,较明亮,具有温度高、干扰少、背景发射低的特点。火焰中半分解产物比贫燃火焰高,但还原气氛不突出,对于在火焰中不特别易形成单氧化物的元素,除碱金属外,采用化学计量焰进行分析为好。
(2)火焰的结构。
正常的空气一乙炔火焰自下而上依次是预热区、第一反应区、中间薄层区和第二反应区。
①预热区又称干燥区。其特点是燃烧不完全、温度不高,试液在此区被干燥,呈固态微粒。
②第一反应区(焰心区)又称蒸发区。它是一条清晰的蓝色光带。其特点是燃烧不充分,半分解产物多,温度未达到最高点。干燥的固态微粒在此区被熔化蒸发或升华。这一区域很少作为吸收区,但对易原子化,干扰少的碱金属可进行测定。
③中间薄层区(内焰区)又称原子化区。其特点是燃烧完全、温度高,被蒸发的化合物在此区被原子化。这一区域是火焰原子吸收光谱法的主要应用区。
④第二反应区(外焰区)。燃烧完全,温度逐渐下降,被离解的基态原子开始重新形成化合物。因此这一区域不能用于实际原子吸收光谱分析。
进行原子吸收光谱分析时,燃烧器高度的选择,也就是火焰区域的选择。
2.乙炔一氧化亚氮火焰
乙炔一氧化亚氮火焰的特点是火焰温度高(约2955℃),而燃烧速度并不快,是目前应用较广泛的一种高温火焰,用它可测定70多种元素。
由于在一氧化二氮(笑气)中,含氧量比空气高,所以这种火焰有更高的温度。由于其温度高,且还原能力强,利用此火焰能分析多种耐熔元素。在富燃火焰中,除了产生半分解物C,CO,CH外,还有还原性更强的成分CN及NH等,这些成分能更有效地抢夺金属氧化物中的氧,从而达到原子化的目的。这就是为什么空气乙炔火焰不能测定硅、铝、钛等特别难离解的元素,在一氧化二氮一乙炔火焰中就能测定的原因。一氧化二氮一乙炔火焰背景发射强、噪声大,定精密度比空气一乙炔火焰差。一氧化二氮一乙炔火焰,为了防止回火必须使用缝长50mm的燃烧器。笑气是一种麻醉剂,使用时要注意安全。
一氧化二氮一乙炔火焰,其焰头可分三个区初级燃烧区呈白蓝色、次级内锥区呈红粉色(常称红羽毛)扩散区呈蓝色。火焰性质可划分为如下四类:
(1)氧化焰(瘦削):焰头强劲清澄,其红羽毛区高1cm。(该火焰无红羽毛区时不适用)。
(2)化学计量焰:焰头清澄,红羽毛区达1～2cm高,在内外焰连接处略呈黄色。
(3)还原焰(粗壮):焰头黄色,略显红羽毛区。
(4)强还原焰:焰头明亮。
注意:使用此种火焰时仪器上需安装火焰护板,或戴护目镜,以减弱发射的紫外线。在寒冷、潮湿季节,须注意氧化亚氮流经调节器时会形成冰晶,甚至冻结,从而导致结果不准。调节器应有加温设备。
3.空气一氢火焰
空气一氢火焰是氧化性火焰,燃烧速度较空气乙炔火焰高,但温度较低(约2050℃),优点是背景发射较弱,透射性能好。
4.空气一煤气(丙烷)火焰
此焰燃烧速度慢、安全、温度较低(1840℃～1925℃),火焰稳定透明。火焰背景低,适用于易离解和干扰较少的元素,但化学干扰多。
