Работа 3. Разработка методики определения рН водной вытяжки из камня строительных материалов

3.1. Цель работы

∙ Усвоить сущность электрохимических методов исследования состава и свойств строительных материалов.

∙ Овладеть техникой подготовки водных вытяжек и измерения их рН.

∙ Изучить зависимость рН водных вытяжек из камня строительных материалов от степени измельчения, величины навески, времени настаивания и обосновать методику определения рН водных суспензий строительных материалов.

∙ Провести компьютерную обработку результатов эксперимента.

3.2. Подготовка к работе

УСВОИТЬ ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрохимические методы исследования основаны на процессах обмена ионов или перехода электронов, протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Аналитическим сигналом служит любой электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и т.д.), величина которого зависит от состава исследуемой системы.

В потенциометрическом методе исследования измеряют электродвижущую силу (ЭДС) обратимых электрохимических систем, для чего необходимо наличие двух электродов: индикаторного и электрода сравнения. В зависимости от алгебраической величины электродных потенциалов величина ЭДС определяется по формулам:

ЭДС = Е _{индикаторного электрода} ─ Е _{электрода сравнения}, или (8)

ЭДС = Е _{электрода сравнения} ─ Е _{индикаторного электрода}. (9)

Индикаторный электрод обнаруживает и фиксирует аналитический сигнал, а электрод сравнения помогает измерить этот сигнал.

Потенциал индикаторного электрода зависит от активности исследуемых веществ, потенциал электрода сравнения не меняется при проведении исследований. В качестве последних часто используют хлоридсеребряный, а также каломельный электроды, потенциалы которых при постоянной концентрации Сl^– остаются неизменными.

Особую группу индикаторных электродов составляют ионоселективные (мембранные) электроды, потенциал которых в зависимости от типа мембраны и может определяться активностью ионов Н⁺, Са²⁺, Мg²⁺, Na⁺, K⁺, Cl^-, NH₄⁺, NO₃^-, PO₄^3-, CO₃^2- и т.д. В частности, потенциал стеклянного электрода зависит от активности ионов водорода а_н+ : Е_{стеклянного электрода} = К + lg а_н+, (10)

где К - постоянная, определяемая сортом стекла и конструкцией электрода.

Поскольку рН = – lg а_н+ , то с помощью индикаторного стеклянного электрода можно измерять рН растворов и суспензий.

Пример 6. Водородный показатель водной вытяжки портландцемента равен 11,2.

Вычислить молярную концентрацию и содержание в г/дм³ гидроксида кальция в водной вытяжке цемента.

Решение. При взаимодействии портландцемента с водой образуется некоторое количество свободного гидроксида кальция, который диссоциирует с образованием ионов ОН^–

Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2 OH^─

и создает щелочную реакцию среды.

Водородный показатель рН = 11,2, и из определения логарифма и следует, что

а _н+ = 10^─рН = 10^─11,2 моль/дм³.

Известно, что при температуре 22 ^оС а_н+ ·а_он- = 10^{─ 14}, то

а_он─ = 10^─3,8 моль/дм³.

В соответствии с уравнением диссоциации (из одного моль Са(ОН)₂ образуется два моль ионов ОН^– ) концентрация Са(ОН)₂ в 2 раза меньше концентрации ионов ОН^─ и составляет

Масса Са(ОН)₂ в I дм³ составляет

m (Са(ОН)₂ ) = с_М ∙ М = 7,9 · 10^-5 моль/дм³ · 74 г/моль · 1 дм³ = 5,8 · 10^-3 г.

Упражнение 6. рассчитайте изменение содержания гидроксида кальция в водных вытяжках газосиликатного камня на основании измерения рН. Решение представьте в виде таблицы (табл. 9) и графически (рис. 9).

Таблица 9

Зависимость величины рН и содержания Са(ОН)₂ в водной вытяжке газосиликатного камня в зависимости от степени его измельчения и времени настаивания

Средний размер частиц, мм	Значение рН через мин				Содержание Са(ОН)2, г/дм3 через мин
	15	30	60	90	15	30	60	90
0,16	9,35	9,40	9,43	9,45
0,32	9,53	9,55	9,55	9,55
0,63	9,58	9,60	9,63	9,60

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рис. 8 ─ Зависимость величины рН водной вытяжки силикатного камня

от степени дисперсности и времени настаивания

Вышеописанные примеры относятся к методам прямой потенциометрии, когда свойство (потенциал индикаторного электрода) является критерием содержания вещества. При исследовании строительных материалов и изделий из них используют также потенциометрическое титрование, основанное на определении изменения потенциала индикаторного электрода при титровании. Точка эквивалентности определяется как точка перегиба на кривой титрования (рис. 10).

Е ─ потенциал индикаторного электрода; V ─ объём рабочего раствора; т. э. ─ точка эквивалентности

Рис. 10. Кривые потенциометрического титрования

Пример 7. Определить содержание фосфатов в пересчете на Р₂О₅ в исходном сырье для изготовления жаростойкого бетона, если после растворения и соответствующей обработки 1,0384 г сырья на потенциометрическое титрование всей пробы израсходовано 6,8 см³ раствора NаОН с молярной концентрацией эквивалента 0,1000 моль/л.

Решение. При массовых анализах пользуются титром по определяемому веществу, равному числу граммов определяемого вещества "А", реагирующему с I см³ рабочего раствора "В"

(12)

где Т_В/А ─ титр рабочего раствора «В» по определяемому веществу «А», г/см³;

с_{э (В)} ─ молярная концентрация эквивалента рабочего раствора, моль/дм³;

М_{э (А)} ─ молярная масса эквивалента определяемого вещества, г/моль;

1000 ─ коэффициент перевода дм³ в см³.

В этом случае масса анализируемого вещества рассчитывается по формуле:

m_А = Т_В/А∙ V_В , г . (13)

В соответствии с формулами (6) и (7) масса Р₂О₅ в пробе сырья составляет:

где М_Э (P₂O₅) = M P₂O₅ : 10 = 142 г/моль :10 = 14,2 г/моль.

Массовая доля P₂O₅ в анализируемой пробе составляет:

Упражнение 7. 1,0834 г сырья для производства жаростойкого бетона перевели в раствор и 0,1 часть его оттитровали потенциометрически. Точка эквивалентности соответствует 7,3 см³ раствора NaOH с молярной концентрацией эквивалента 0,0992 г/моль. Вычислите массовую долю фосфатов в сырье в пересчете на Р₂О₅.

Ответ: 9,49 %.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________