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第3章原子發(fā)射光譜分析(3學(xué)時)(AtomicEmissionSpectroscopy,AES)§3.1概述§3.2原子發(fā)射光譜法的基本原理§3.3
原子發(fā)射光譜儀§3.4光譜定性及定量分析§3.5原子熒光分析法§3.6原子發(fā)射光譜法的應(yīng)用§3.1概述原子發(fā)射光譜法:根據(jù)原子(或離子)在一定條件下(熱或電激發(fā))受激后所發(fā)射的特征光譜來研究物質(zhì)化學(xué)組成及含量的分析方法。
1859年德國學(xué)者Kirchhoff&Bensen——分光鏡;隨后30年——定性分析;1930年以后——定量分析。根據(jù)使用設(shè)備和檢測手段的不同,分為攝譜分析法光電直讀法火焰光度法原子熒光分析法
AES優(yōu)點:1)多元素同時檢測,分析速度快;2)靈敏度高:可進(jìn)行痕量分析,一般激發(fā)源可達(dá)10-0.1g/g(g/mL);ICP可達(dá)ng/mL級;3)選擇性好:一般不需化學(xué)處理即可直接進(jìn)行分析,固、液樣品均可;4)準(zhǔn)確度較高:采用一般激發(fā)源,相對誤差為5-10%,ICP則小于1%;5)所需試樣量少:一般幾mg到幾十mg試樣即可;6)測定范圍廣:目前可測定70余種元素;AES局限性:1)一般用于元素總量分析;2)無法確定物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和官能團(tuán);3)無法進(jìn)行元素的價態(tài)和形態(tài)分析;4)無法檢測非金屬元素:O、S、N、X(處于遠(yuǎn)紫外);P、Se、Te(難激發(fā),常以原子熒光法測定)。原子的殼層結(jié)構(gòu):物質(zhì)是由各種元素的原子組成的,原子有結(jié)構(gòu)緊密的帶正電荷的原子核,核外圍繞著不斷繞核運(yùn)動的帶負(fù)電荷的電子。電子處在一定的能級上,具有一定的能量,在核外的電子按能量的高低而分布。從整個原子來看,在一定的運(yùn)動狀態(tài)下,它也是處在一定的能級上,具有一定的能量。在一般情況下,大多數(shù)原子處在最低的能級狀態(tài),即基態(tài)?;鶓B(tài)原子在激發(fā)光源(即外界能量)的作用下,獲得足夠的能量,外層電子躍遷到較高能級狀態(tài)即激發(fā)態(tài),這個過程叫激發(fā)。一.原子發(fā)射光譜的產(chǎn)生§3.2原子發(fā)射光譜法的基本原理電能、熱能、光能等激發(fā)氣態(tài)原子、離子的核外層電子躍遷至高能態(tài)。氣態(tài)激發(fā)態(tài)原子、離子的核外層電子,迅速回到低能態(tài)時以光輻射的形式釋放能量。原子發(fā)射光譜E2E0E1E3hi氣態(tài)原子或離子的核外層電子當(dāng)獲取足夠的能量后,就會從基態(tài)躍遷到各種激發(fā)態(tài),處于各種激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定的電子(壽命<10-8s)迅速回到低能態(tài)時,就要釋放出能量,若以光輻射的形式釋放能量,既得到原子發(fā)射光譜。必須明確如下幾個問題:原子中外層電子(稱為價電子或光電子)的能量分布是量子化的,所以△E的值不是連續(xù)的,則λ或υ也是不連續(xù)的,因此,原子光譜是線光譜;同一原子中,電子能級很多,有各種不同的能級躍遷,所以有各種△E不同的值,即可以發(fā)射出許多不同λ或υ的輻射線。但躍遷要遵循“光譜選律”,不是任何能級之間都能發(fā)生躍遷;不同元素的原子具有不同的能級構(gòu)成,△E不一樣,所以λ或υ也不同,各種元素都有其特征的光譜線,從識別各元素的特征光譜線可以鑒定樣品中元素的存在,這就是光譜定性分析;元素特征譜線的強(qiáng)度與樣品中該元素的含量有確定的關(guān)系,所以可通過測定譜線的強(qiáng)度確定元素在樣品中的含量,這就是光譜定量分析。2.共振線、第一共振線
由激發(fā)態(tài)直接躍遷至基態(tài)時輻射的譜線稱為共振線。由第一激發(fā)態(tài)直接躍遷至基態(tài)的譜線稱為第一共振線。1.激發(fā)電位:低能態(tài)電子被激發(fā)到高能態(tài)時所需要的能量。
電離電位:原子受激后得到足夠能量而失去電子—電離。二.原子發(fā)射光譜法一些常用的術(shù)語4.原子線、離子線
原子線(Ⅰ):原子核外激發(fā)態(tài)電子躍遷回基態(tài)所發(fā)射出的譜線。M*M*(I)
離子線(Ⅱ,Ⅲ):離子核外激發(fā)態(tài)電子躍遷回基態(tài)所發(fā)射出的譜線。
M+
*
M+(Ⅱ)
;
M2+*
M2+(Ⅲ)3.最靈敏線、最后線、分析線
第一共振線一般也是元素的最靈敏線。
當(dāng)該元素在被測物質(zhì)里降低到一定含量時,出現(xiàn)的最后一條譜線,這是最后線,也是最靈敏線。用來測量該元素的譜線稱分析線。E2E0E1E3三.譜線強(qiáng)度E0Ei1.Boltzmann分布與譜線強(qiáng)度(Intensity)AES分析進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)是譜線的強(qiáng)度特性。那么,譜線強(qiáng)度與待測物濃度之間有什么關(guān)系呢?樣品光源樣品蒸發(fā)基態(tài)原子(N0)等離子體(原子+離子+電子)從整體上看,處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)!ArcSparkICPFlame激發(fā)態(tài)原子(Ni)樣品激發(fā)E0Ei在高溫下,處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)時,單位體積的基態(tài)原子數(shù)N0與激發(fā)態(tài)原子數(shù)Ni之間遵守Boltzmann分布定律:其中,g為統(tǒng)計權(quán)重;k為Boltzmann常數(shù)(1.3810-23J/oC)。電子在i,j能級間躍遷產(chǎn)生的譜線強(qiáng)度I與躍遷幾率A及處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)Ni成正比,即由于激發(fā)態(tài)原子數(shù)目較少,因此基態(tài)原子數(shù)N0可以近似代替原子總數(shù)N總,并以濃度c代替N總:簡單地,Ic,此式為光譜定量分析的依據(jù)。
2.影響譜線強(qiáng)度I的因素:a)統(tǒng)計權(quán)重g;b)躍遷幾率;c)激發(fā)電位或激發(fā)能E;d)譜線的自吸(self-absorption)及自蝕(self-reversal);e)激發(fā)溫度T;f)基態(tài)原子數(shù)N0或濃度c;前三項由待測物原子自身的性質(zhì)決定,如核電荷數(shù)、外層電子、軌道狀態(tài)等。影響譜線強(qiáng)度及其穩(wěn)定性最重要的的因素是溫度T!四.譜線的自吸與自蝕1.自吸
I=I0e-ad
I0為弧焰中心發(fā)射的譜線強(qiáng)度;a為吸收系數(shù);d為弧層厚度2.自蝕在譜線上,常用r表示自吸,R表示自蝕。在共振線上,自吸嚴(yán)重時譜線變寬,稱為共振變寬。有自吸譜線的輪廓1-無自吸
2-有自吸3-自蝕
4-嚴(yán)重自蝕考慮到譜線自吸效應(yīng)系數(shù)b的影響時:I
=acb(Schiebe-Lomarkin公式)取對數(shù),上式變?yōu)椋簂ogI=blogc+loga此式為AES分析的最基本的關(guān)系式。以logI對logc作圖,得校正曲線。當(dāng)試樣濃度高時,b<1,工作曲線發(fā)生彎曲。
12§3.3
原子發(fā)射光譜儀常用的AES儀器有:攝譜儀;光電直讀光譜儀;火焰分光光度計。AES儀器由光源、單色系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)三部分組成。激發(fā)源(光源)單色器檢測器數(shù)據(jù)處理與顯示本節(jié)重點介紹:光源、感光板檢測器及相關(guān)特性。一.攝譜儀與光電直讀光譜儀光柵攝譜儀光路示意圖多元素同時檢測入射狹縫出射狹縫凹面光柵R光電直讀光譜儀光路示意圖分光系統(tǒng)特點:a)羅蘭圓(虛圓)上可容納寬的波長范圍(多道);b)無需其它成像系統(tǒng),故無色差及較少光能損失;c)既有分光作用又有聚光作用。直讀光譜儀器特點:
寬波長范圍;
多元素快速分析;
準(zhǔn)確度高;
線性范圍寬,可分析高含量;Slit固定,分析元素固定;
譜線易漂移;ICP光電直讀光譜儀示意圖光源電弧電感耦合等離子體,ICP現(xiàn)代光源經(jīng)典光源火花直流電弧交流電弧火焰激光光源作用:
影響:檢出限、精密度和準(zhǔn)確度。類型:1.激發(fā)源(光源)從1860年Bunsen和Kirchhoff用火焰光源發(fā)現(xiàn)和測定金屬元素算起,迄今已有140余年的歷史。近百年來與火焰同時被研究和使用的發(fā)射光源還有直流電弧和火花。20世紀(jì)60年代中期,F(xiàn)assel
和Greenfield創(chuàng)立了電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜新技術(shù)。20世紀(jì)40年代---電弧和火花AES占據(jù)統(tǒng)治地位20世紀(jì)50年代---火焰AES取代了電弧和火花AES20世紀(jì)60年代---火焰AAS盛行的年代20世紀(jì)70年代---石墨爐AAS和ICP-AES成了這方面的主流20世紀(jì)80年代---出現(xiàn)了ICP-MS,輝光放電(GD)AES/MS也逐漸為人們所重視直流電?。航佑|引燃,二次電子發(fā)射放電
VAELG220~380V5~30AR接觸短路引燃(或高頻引燃);陰極電子與氣體分子和離子相撞產(chǎn)生的離子再沖擊陰極,引起二次電子發(fā)射……電子再撞擊陽極,產(chǎn)生高溫陽極斑(4000K);產(chǎn)生的電弧溫度:4000~7000K直流電弧特點:a)樣品蒸發(fā)能力強(qiáng)(陽極斑)---進(jìn)入電弧的待測物多---絕對靈敏度高---尤其適于定性分析;同時也適于部分礦物、巖石等難熔樣品及稀土難熔元素定量;b)電弧不穩(wěn)----分析重現(xiàn)性差;c)弧層厚,自吸嚴(yán)重;d)安全性差。A~220Vl1l2G1G2L1C1L2C2B1B2R1R2交流電?。焊哳l高壓引燃、低壓放電。
110~220V(低壓)2~3kV(B1)
C1充電(R2控制充電速度);
C1達(dá)到一定能量時,G1擊穿高頻振蕩(回路為C1-L1-G1,G1的間距可調(diào)節(jié)振蕩速度,并使每半周只振蕩一次);
上述振蕩電壓10kV(變壓器B2)C2擊穿高壓高頻振蕩引燃分析間隙(L2-C2-G2);
G被擊穿瞬間,低壓電流使G2
放電(通過R1和電流表)電弧;不斷引燃電弧不滅。低壓交流電弧特點:1)蒸發(fā)溫度比直流電弧略低;電弧溫度比直流電弧略高;2)電弧穩(wěn)定,重現(xiàn)性好,適于大多數(shù)元素的定量分析;3)放電溫度較高,激發(fā)能力較強(qiáng);4)電極溫度相對較低,樣品蒸發(fā)能力比直流電弧差,因而對難熔鹽分析的靈敏度略差于直流電弧。高壓火花:高頻高壓引燃并放電。~VCGBLR1DD220V
220V10~25kV(B)C擊穿分析隙G放電;回路L-C-G中高壓高頻振蕩電流,G放電中斷;
下一回合充放電開始火花不滅?;鸹ㄌ攸c:1)放電穩(wěn)定,分析重現(xiàn)性好;2)放電間隙長,電極溫度(蒸發(fā)溫度)低,檢出限低,多適于分析易熔金屬、合金樣品及高含量元素分析;3)激發(fā)溫度高(瞬間可達(dá)10000K)適于難激發(fā)元素分析。
1.ermediatetube4.sampleinjector5.Plasma6.atomizationzone7.atomiclineemission8.ioniclineemission8765.Plasma1432ICP炬形成過程:1)Tesla線圈高頻交變電流(27-41KHZ,2-4KW)
交變感應(yīng)磁場;2)火花氬氣
氣體電離少量電荷相互碰撞雪崩現(xiàn)象大量載流子;3)數(shù)百安極高感應(yīng)電流(渦電流,Eddycurrent)瞬間加熱到10000K等離子體內(nèi)管通入Ar形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)樣品通道樣品蒸發(fā)、原子化、激發(fā)。
電感耦合等離子體組成:ICP高頻發(fā)生器+炬管+樣品引入系統(tǒng)炬管包括:外管—冷卻氣,沿切線引入中管—輔助氣,點燃ICP(點燃后切斷)內(nèi)管—載氣,樣品引入(使用Ar是因為性質(zhì)穩(wěn)定、不與試樣作用、光譜簡單)
依具體設(shè)計,三管中所通入的Ar總流量為5-20L/min。石英管最大內(nèi)徑為2.5cm
載氣(Ar)輔助氣冷卻氣絕緣屏蔽載氣Ar+樣品樣品溶液廢液ICP光源特點1)低檢測限:蒸發(fā)和激發(fā)溫度高;2)穩(wěn)定,精度高:高頻電流----趨膚效應(yīng)(skineffect)---渦流表面電流密度大---環(huán)狀結(jié)構(gòu)---樣品引入通道---火焰不受樣品引入影響----高穩(wěn)定性。3)基體效應(yīng)小(matrixeffect):樣品處于化學(xué)隋性環(huán)境的高溫分析區(qū)----待測物難生成氧化物-----停留時間長(ms級)、化學(xué)干擾小;樣品處于中心通道,其加熱是間接的----樣品性質(zhì)(基體性質(zhì),如樣品組成、溶液粘度、樣品分散度等)對ICP影響小。4)背景?。和ㄟ^選擇分析高度,避開渦流區(qū)。5)自吸效應(yīng)?。涸嚇硬粩U(kuò)散到ICP周圍的冷氣層,只處于中心通道,即是處于非局部熱力學(xué)平衡;6)分析線性范圍寬:ICP在分析區(qū)溫度均勻;自吸及自蝕效應(yīng)小。7)眾多無素同時測定:激發(fā)溫度高(70多種);不足:對非金屬測定的靈敏度低;儀器昂貴;維持費(fèi)高。
2.光源的選擇依據(jù)
a)試樣的性質(zhì):如揮發(fā)性、電離電位等b)試樣形狀:如塊狀、粉末、溶液c)含量高低d)光源特性:蒸發(fā)特性、激發(fā)特性、放電穩(wěn)定性(下表)光
源
蒸發(fā)溫度K
激發(fā)溫度K
穩(wěn)定性
熱性質(zhì)
分析對象
直流電弧
800~4000(高)
4000~7000
較差
LTE
定性、難熔樣品及元素定量、導(dǎo)體、礦物純物質(zhì)
交流電弧
中
4000~7000
較好
LTE
礦物、低含量金屬定量分析
火花
低
~10000
好
LTE
難激發(fā)元素、高含量金屬定量分析
ICP
~10000
6000~8000
很好
非LTE
溶液、難激發(fā)元素、大多數(shù)元素
火焰
2000~3000
2000~3000
很好
LTE
溶液、堿金屬、堿土金屬
激光
~10000
~10000
很好
LTE
固體、液體
262、分光系統(tǒng)(略)3、檢測系統(tǒng)攝譜步驟感光板:玻璃板為支持體,涂抹感光乳劑(AgBr+明膠+增感劑)(1)攝譜檢測系統(tǒng)安裝感光板在攝譜儀的焦面上激發(fā)試樣,產(chǎn)生光譜而感光顯影,定影,得到平行排列的譜線,制成譜板特征波長,定性分析特征波長下的譜線強(qiáng)度,定量分析待測物發(fā)出的光譜經(jīng)分光得一系列譜線,這些不同波長的光在感光板上曝光,經(jīng)顯影、定影后于感光板上得到平行排列的譜線(黑線),這些譜線變黑的程度以黑度S來表示:其中,I0,Ii分別為未曝光部分和已曝光部分的光強(qiáng),T為透過率(%)譜線“黑度”與待測物濃度有關(guān)。即S=f(c)那么相板檢測器上譜線的黑度與濃度的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式到底如何呢?定量基礎(chǔ):曝光量H與感光板所接受的光強(qiáng)I或照度E及曝光時間t成正比:
曝光量H與黑度S之間的關(guān)系復(fù)雜——但可通過“乳劑特性曲線”得到二者之間的定量關(guān)系!S~logHS0logHiEDCBAbcSlogHS0—霧翳黑度;BC—曝光正常部分;bc—展度;Hi—惰延量;—直線部分斜率,反襯度,對比度
從該曲線中直線部分得:有關(guān)乳劑特性曲線的討論:展度bc:直線BC在橫軸上的投影,它一定程度上決定相板檢測的適宜濃度范圍反襯度:直線BC的斜率,它表征當(dāng)曝光量改變時,黑度變化的快慢。惰延量:Hi稱為惰延量,它表征了乳劑的靈敏度。Hi越大,乳劑越不靈敏。與感光材料及其中鹵化銀顆粒度有關(guān)。霧翳黑度:乳劑特性曲線下部與S軸的交點所對應(yīng)的黑度(S0)。它通常由顯、定影所引起的。(2)光電檢測系統(tǒng)波長轉(zhuǎn)動光柵掃描掃描型直讀光譜儀多通道型直讀光譜儀:8~60通道PMT-1PMT-2PMT-3PMT-4PMT-5PMT-6PMT-7PMT-8波長羅蘭圓聚焦二.火焰光度計儀器結(jié)構(gòu):火焰激發(fā)源、單色器、光電檢測器試液噴入燃燒的火焰中霧化后溶劑在火焰中蒸發(fā)鹽粒熔融轉(zhuǎn)化為蒸氣解離為原子(部分電離)火焰高溫激發(fā)發(fā)光單色器切光器待測元素的特征光譜光電轉(zhuǎn)換信號放大測定譜線強(qiáng)度分析過程:33由于各元素的原子結(jié)構(gòu)不同,在光源激發(fā)下,試樣中各元素都發(fā)射各自的特征光譜(譜線有多有少),通過識別元素的一條或數(shù)條特征譜線的波長,可以進(jìn)行元素定性分析。一般利用2~3根原子線、離子線的第一共振線、最靈敏線、最后線、分析線進(jìn)行定性分析?!?.4光譜定性及定量分析一.原子發(fā)射光譜攝譜法的定性分析1.幾個基本概念靈敏線:激發(fā)電位較低的譜線,常為原子線(電弧線),或離子線(火花線)。與實驗條件有關(guān)。共振線:從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷所產(chǎn)生的譜線。由最低能級的激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷稱為第一共振線。一般也是最靈敏線。與元素的激發(fā)程度難易有關(guān)。最后線:當(dāng)待測物含量逐漸減小時,譜線數(shù)目亦相應(yīng)減少,當(dāng)c接近0時所觀察到的譜線,是理論上的靈敏線或第一共振線。分析線:在進(jìn)行元素的定性或定量分析時,根據(jù)測定含量范圍的實驗條件,對每一元素可選一條或幾條最后線作為測量的分析線。自吸線:當(dāng)輻射能通過發(fā)光層周圍的蒸汽原子時,將為其自身原子所吸收,而使譜線強(qiáng)度中心強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。自蝕線:自吸最強(qiáng)的譜線的稱為自蝕線。2.光譜定性分析A.標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣光譜比較法用標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣在相同的條件下并列攝譜于統(tǒng)一感光板上比較標(biāo)準(zhǔn)樣品與試樣所出現(xiàn)的特征譜線若試樣光譜中出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)樣品所含元素的2-3條特征譜線,就可以證實試樣中含有該元素否則不含有該元素B.標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜圖比較法以鐵的光譜線作為波長的標(biāo)尺,將各個元素的最后線按波長位置插在鐵光譜(上方)相關(guān)的位置上,制成元素標(biāo)準(zhǔn)光譜圖。上標(biāo):譜線的強(qiáng)度級(1~10級)下標(biāo):原子線(Ⅰ)與離子線(Ⅱ→+、Ⅲ→2+、Ⅳ→3+)底標(biāo):波長十位后尾數(shù),12.3→2712.3埃、47.3→2747.3埃標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜圖(一級)標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜比較法操作:譜線的強(qiáng)度級(1~10級)譜線消失法:隨元素含量減少,低級譜線消失等級12345678910范圍%1010~33~11~0.30.3~0.10.1~0.030.03~0.010.01~0.0030.003~0.0010.001譜線呈現(xiàn)法:隨元素含量增加,低級譜線呈現(xiàn)在攝制試樣光譜的同時,在感光板上攝制1~2條鐵光譜在8W-光譜投影儀上將感光板上光譜放大20倍以鐵光譜作為波長標(biāo)尺,使感光板上的鐵光譜與標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜上的鐵光譜對齊且平行找出標(biāo)準(zhǔn)鐵光譜上所標(biāo)有各元素的特征譜線在試樣光譜中是否出現(xiàn)若某元素的2~3條特征譜線出現(xiàn),該元素就存在再根據(jù)所出現(xiàn)的譜線相對強(qiáng)度級,估計相對含量思考:為什么要以Fe譜作標(biāo)尺?答:Fe譜線豐富(有數(shù)千條)、均勻(強(qiáng)度及間距)、每條譜線波長已知。將試樣與已知不同含量的系列標(biāo)準(zhǔn)樣品在一定條件下攝譜于同一光譜感光板上在映譜儀上用目視法直接比較被測試樣與標(biāo)樣光譜中分析線黑度根據(jù)黑度,估計欲測元素的近似含量1.譜線強(qiáng)度(黑度)比較法二.原子發(fā)射光譜攝譜法的半定量分析I=ACb標(biāo)樣-1:0.001%標(biāo)樣-2:0.003%標(biāo)樣-3:0.01%標(biāo)樣-4:0.03%標(biāo)樣-5:0.1%未知樣-1未知樣-2H=It
2.譜線強(qiáng)度(黑度)比較法的應(yīng)用地質(zhì)普查礦物品位地質(zhì)勘探1.定量分析的基本關(guān)系式:
b=1沒有自吸,b<1,有自吸.三.原子發(fā)射光譜攝譜法的定量分析
I=acb或者logI=blogc+loga由于試樣組成和實驗條件(蒸發(fā)、激發(fā)、試樣組成、感光板特性、顯影條件等)直接影響譜線強(qiáng)度,而這些影響很難完全避免,故以譜線絕對強(qiáng)度來定量往往帶來很大誤差。實際工作中常以分析線和內(nèi)標(biāo)線的強(qiáng)度比來進(jìn)行定量分析,以補(bǔ)償這些難以控制的變化因素的影響。選擇一種元素的一條特征譜線-------稱為:內(nèi)標(biāo)線可以是人為加入特定含量的元素,也可以是試樣中的基體成份--------稱為:內(nèi)標(biāo)元素以分析線與內(nèi)標(biāo)線強(qiáng)度比進(jìn)行定量分析-----稱為:內(nèi)標(biāo)法所選用的分析線與內(nèi)標(biāo)線的組合稱為分析線對。A.內(nèi)標(biāo)法的原理2.內(nèi)標(biāo)法內(nèi)標(biāo)法公式:設(shè)分析線和內(nèi)標(biāo)線強(qiáng)度分別為I,Ii當(dāng)以感光板為檢測器時,該式為:S=S-Si=blgc+lgK當(dāng)以光電管為檢測器時,該式為:lgU=lgU-lgUi=blgc+lgK即以S或lgU對
lgc作圖,可制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,并求得濃度值
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