Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра общей и аналитической химии

Определение содержания никеля в чёрных сплавах

Практикум для проведения лабораторной работы по дисциплинам: «Методы контроля и анализа веществ», «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа»

Новокузнецк

2014

УДК 543.4 (07)

О 624

Рецензент

профессор кафедры металлургии цветных металлов и

химической технологии,

кандидат химических наук А.И. Пошевнева

О 624 Определение содержания никеля в чёрных сплавах:лаб. практикум /Сиб. гос. индустр. ун-т; сост.: Ж.М. Шулина, О.Р. Глухова, Р.М. Белкина. – Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2014. – 12 с.

Рассмотрены теоретические основы метода фотоколориметрии, дана методика количественных измерений содержания никеля в чёрных сплавах.

Практикум предназначен для проведения лабораторной работы по дисциплинам: «Методы контроля и анализа веществ», «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа».

Определение содержания никеля в чёрных сплавах

Для определения содержания никеля в чёрных сплавах применяют метод фотоколориметрии, который основан на изучении молекулярных спектров поглощения в видимой части спектра (380-700 нм).

Количественные законы поглощения света

Е сли на светопоглощающий раствор направить световой поток интенсивностью I_о, то интенсивность светового потока, прошедшего через слой вещества, составит величину I (рис 1).

1. источник излучения;

2. кювета (сосуд с поглощающим раствором); b – толщина светопоглощающего слоя, см;

3. датчик (прибор, измеряющий величину прошедшего светового потока).

Величину D, равную , называют оптической плотностью раствора [1]. Зависимость оптической плотности раствора от концентрации растворённого вещества определяется законом Бугера-Ламберта-Бера, который справедлив при монохроматическом излучении, соответствующем абсорбционному максимуму .

где – молярный коэффициент поглощения света, соответствующий абсорбционному максимуму ;

С_М – концентрация светопоглощающего раствора, моль/л;

b – толщина светопоглощающего слоя, см.

Молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине поглощающего слоя 1 см.

Этапы анализа

1. Проведение фотоколориметрической реакции.

2. Измерение оптической плотности раствора.

3. Расчёт концентрации никеля в анализируемой пробе сплава.

Проведение фотоколориметрической реакции. Никель в чёрных сплавах находится в виде компонента твёрдого раствора. Чтобы определить концентрацию никеля методом фотоколориметрии, необходимо анализируемую пробу растворить и получить окрашенное соединение.

При растворении в азотной кислоте никель переходит в раствор в виде катиона

Ni + 4HNO₃  Ni(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O;

Ni + 4H⁺ + 2N  Ni²⁺ + 2NO₂ + 2H₂O.

Ионы никеля образуют с диметилглиоксимом в присутствии сильных окислителей растворимый комплекс красного цвета.

CH₃C=NOH

N iCl₂ + 2 +2NH₄OH→

CH₃C=NOH

Н

C H₃  C=N O ОN=C CH₃

→ Ni + 2NH₄Cl + 2Н₂О.

C H₃ C=NO ОN=C CH₃

Н

Фотоколориметрическую реакцию проводят в щелочной среде и для предупреждения осаждения щёлочью гидроксидов железа, марганца, алюминия и других металлов, входящих в состав пробы, прибавляют комплексообразователь – сегнетову соль, в присутствии которой перечисленные компоненты не осаждаются.

Ход анализа. Навеску стали 0,1 г помещают в коническую колбу на 100 мл и растворяют при нагревании в 10 мл азотной кислоты (1:3), затем разбавляют небольшим количеством воды (5-10 мл). Полученный раствор переводят в мерную колбу на 100 мл, тщательно ополаскивая колбочку, в которой велось растворение, небольшими порциями дистиллированной воды (4-5 раз). Затем доводят содержимое мерной колбы водой до метки. Полученный раствор в мерной колбе тщательно перемешивают. Если при растворении выпадает осадок угля, то содержимое мерной колбы отфильтровывают.

Подготовка к колориметрированию. Для колориметрирования одновременно готовят два раствора. Один будет называться рабочим, другой – холостым (раствором сравнения).

Из мерной колбы на 100 мл, отбирают пипеткой по 5 мл в две мерные колбы на 50 мл. В каждую колбу прибавляют 10 мл 20 % раствора сегнетовой соли, 10 мл 5 % раствора щёлочи и хорошо взбалтывают. При этом раствор должен обесцветиться (допускается слабо-жёлтая окраска, которая не будет мешать колориметрированию). Затем прибавляют 10 мл 3 % раствора персульфата аммония (NH₄)₂S₂O₈ в качестве окислителя и взбалтывают.

В одну из колб прибавляют 10 мл щелочного раствора диметилглиоксима (это будет рабочий раствор). Обе колбы доводят до метки 5 % раствором щёлочи и тщательно перемешивают.

Интенсивность окраски полученного комплекса пропорциональна содержанию никеля в сплаве.

Чтобы окрашенное комплексное соединение сформировалось, необходимо соблюдать условия:

• температуру реакции;

• среду раствора;

• соотношение компонентов и порядок их приливания.

Окрашенный комплекс неустойчив, имеет период формирования, короткий период стабильности и период разрушения. Измерение оптической плотности раствора следует проводить в период стабильности комплекса (через 5-7 минут после сливания всех реагентов).

Измерение оптической плотности раствора. Оптическую плотность окрашенного раствора измеряют на приборе фотоколориметре. Внешний вид прибора КФК-2МП показан на рисунке 2.

1. колориметрический блок;

2. вычислительный блок;

3. маховик для замены фотоприемника;

4. крышка кюветного отделения;

5. рычаг перевода кювет;

6. маховик для замены светофильтра.

Рисунок 2 – Фотоколориметр КФК-2МП

Н а рисунке 3 представлена схема фотоколориметра.

1. источник света (лампочка);

2. поворотные зеркала;

3. светофильтры для получения монохроматического излучения, соответствующего ;

4. кюветы с холостым (Х) и рабочим (Р) растворами;

5. фотометрический клин для уравнивания световых потоков;

6. фотоэлементы, в которых световая энергия преобразуется в электрический сигнал;

7. микрогальванометр.

Чтобы учесть потери излучения на отражение, рассеяние, поглощение материалом кюветы, воздухом и всеми компонентами кроме окрашенного соединения, сравнивают интенсивность света, прошедшего через рабочий раствор и холостой раствор сравнения (без окрашенного соединения).

При одинаковой толщине поглощающего слоя в кюветах из одинакового материала, содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеивание света будут примерно одинаковы у обоих пучков и уменьшение интенсивности света будет зависеть только от концентрации вещества.