§ 176. Спектральный анализ по спектрам испускания

Каждый атом испускает свои определенные спектральные линии, составляющие его спектр. Различные атомы имеют иногда отдельные случайно совпадающие линии, но спектр атома в целом вполне характерен для этого атома. Поэтому появление совокупности спектральных линий, принадлежащих какому-нибудь атому, является верным признаком того, что данный элемент находится среди светящихся паров источника. Это важное правило было установлено немецкими физиком Густавом Кирхгофом (1824—1887) и химиком Робертом Бунзеном (1811—1899) в 1859 г. и послужило основанием для создания спектрального метода химического анализа. При его помощи можно открывать присутствие интересующего нас элемента даже в том случае, когда количество этого элемента очень мало. Примесь вещества, масса которого составляет , может быть надежно установлена; в некоторых особо благоприятных случаях обнаруживаются и вещества, масса которых не превышает .

Кирхгоф и Бунзен сделали при помощи своего метода несколько важных открытий. Исследуя спектр пара смеси соединений щелочных металлов (лития, натрия и калия), они обнаружили, что, кроме линий, принадлежащих известным металлам, имеется налицо ряд новых линий. Ими было высказано предположение, что в смеси присутствуют новые, еще не известные химикам элементы. Действительно, путем соответствующей обработки удалось выделить два новых элемента, которые получили названия рубидий и цезий. Впоследствии при помощи спектрального анализа было открыто еще несколько неизвестных элементов (таллий, индий, галлий).

Интересно отметить, что элемент. получивший название галлий, был предсказан Д. II. Менделеевым под названием экаалюминий. Менделеев описал предполагаемые свойства элемента и указал, что его следует искать с помощью спектрального анализа. Ниже предсказания Менделеев сопоставлены с описанием, данным Буабодраном, открывшим и исследовавшим этот новый элемент.

Свойства экаалюминия , предсказанные Менделеевым	Свойства галлия , описанные Буабодраном
1. Атомный вес – около 68.	1. Атомный вес – около 69,9.
2. Металл с удельным весом 5,9; низкая точка плавления; не летучий, не окисляется на воздухе; будет разлагать пары воды при температуре красного каления; будет растворяться в кислотах и щелочах.	2. Металл с удельным весом 5,94; точка плавления ; не летуч при умеренной температуре, не изменяется на воздухе; действие на пары воды неизвестно; слабо растворим в кислотах и щелочах.
3. Окисел: формула , удельный вес 5,5; будет растворяться в кислотах, образуя соль типа . Гидроокись будет растворяться в кислотах и щелочах.	3. Окисел:  удельный вес неизвестен; растворим в кислотах, образует соли типа . Гидроокись растворяется в кислотах и щелочах.
4. Соли: будут иметь тенденцию образовывать основные соли; сульфаты будут образовывать квасцы; сульфиды будут осаждаться под действием  или . Безводный хлорид будет более летуч, чем хлорид цинка.	4. Соли: легко гидролизируются и дают основные соли; квасцы неизвестны; сульфид осаждается под действием  и  при специальных условиях; безводный хлорид более летуч, чем хлорид цинка.
5. Элемент будет, вероятно, открыт с помощью спектрально анализа.	5. Галлий был открыт с помощью спектроскопа.

В 1895 г. в спектре Солнца были установлены новые линии, которые были приписаны новому газу, получившему название гелий.

Некоторое время спустя па Земле был обнаружен в чистом виде газ, спектр которого оказался тождественным со спектром гипотетического гелия. Таким образом, догадка о наличии в составе Солнца нового элемента была подтверждена.

Пример с гелием не только очень поучителен, но он одновременно показывает, какое значение спектральный анализ имеет для решения вопроса о составе небесных тел, недоступных прямому химическому исследованию. В настоящее время благодаря спектральному анализу мы имеем довольно полные сведения о составе Вселенной и установили, что она построена из тех же элементов, которые имеются и на Земле. Данные, полученные на космических кораблях и спутниках, подтверждают и дополняют наши сведения о составе Луны и планет.

По существованию в спектре определенных спектральных линий можно с несомненностью судить о присутствии какого-либо элемента в изучаемой смеси, т. е. делать качественный анализ. Наблюдение же над интенсивностью соответствующей спектральной линии позволяет судить и о количестве данного элемента в пробе. Эта задача гораздо более сложная потому, что хотя интенсивность спектральных линий возрастает вместе с концентрацией данного элемента, однако связь между интенсивностью и концентрацией не проста. Существует много причин, могущих влиять на интенсивность линии при неизменной концентрации. Поэтому лишь сравнительно недавно удалось разработать методы исследования, которые позволяют определять при помощи спектрального анализа концентрацию интересующего нас элемента, т. е. производить и количественный анализ.

Практическое значение этих методов очень велико, ибо они позволяют выполнять быстрые анализы состава сложных сплавов, играющих огромную роль в современной технике. Многие сплавы (например, различные сорта стали) по внешнему виду не отличимы друг от друга, но наблюдение их спектров позволяет определить их состав. Так как изготовление той или иной ответственной части машины из неподходящего сорта стали ведет к браку и аварии, то ошибка в выборе материала крайне опасна. Поэтому на заводах СССР сталь, прежде чем направлять ее в производство, подвергают быстрому спектральному анализу, занимающему около . Метод экспрессного спектрального анализа металлов был разработан под руководством академика Г. С. Ландсберга (1890—1957) в конце 30-х годов.

Аналогично при помощи спектрального анализа производится определение состава руд и минералов, что позволяет ускорить и упростить разведку ценных ископаемых и решить ряд других практических задач.