Методы и средства аналитического контроля материалов. Химические и физико-химические методы аналитического контроля. Лабораторный практикум

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Кафедра сертификации и аналитического контроля

В.А. Филичкина О.Л. Скорская И.В. Муравьева

Методы и средства аналитического контроля материалов

Химические и физико-химические методы аналитического контроля

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2015

УДК 543.2 Ф53

Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. М.В. Астахов

Филичкина В.А.

Ф53 Методы и средства аналитического контроля материалов : химические и физико-химические методы аналитического контроля : лаб. практикум / В.А. Филичкина, О.Л. Скорская, И.В. Муравьева. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 69 с.

В лабораторном практикуме рассмотрены основные понятия по химическим и физико-химическим методам аналитического контроля материалов. Каждой лабораторной работе предшествует теоретическое введение; приведены последовательность выполнения работ, перечень контрольных вопросов для закрепления полученных теоретических и практических знаний.

Лабораторный практикум предназначен для выполнения лабораторных работ по методам аналитического контроля материалов для студентов, обучающихся по направлениям «Металлургия», «Стандартизация и метрология», «Управление качеством», «Физика», «Технологические машины и оборудование», «Технология художественной обработки», «Техносферная безопасность».

УДК 543.2

♥ В.А. Филичкина, О.Л. Скорская, И.В. Муравьева, 2015

♥ НИТУ «МИСиС», 2015

2

СОДЕРЖАНИЕ

3

Методические указания к выполнению лабораторных работ

Правила техники безопасности и охраны труда в лаборатории

При работе в лаборатории студент использует химические реактивы (кислоты, щелочи, растворы солей и др.), многие из которых могут привести к ожогам различной степени, отравлениям и другим несчастным случаям.

Во избежание несчастных случаев при работе с химическими веществами студент должен знать свойства применяемых при выполнении работ реактивов и продуктов их взаимодействия с другими соединениями: ядовитость, воспламеняемость, взрывоопасность.

Помимо работы с химическими веществами в лаборатории студент имеет дело с электрическими приборами, питание которых осуществляется от сети переменного тока (220 В), в связи с чем он обязан выполнять общеизвестные правила электробезопасности.

Для исключения несчастных случаев при работе на аналитических приборах необходимо изучить инструкции по их эксплуатации и проведению измерений.

Перед началом работы студент обязательно должен подробно ознакомиться с инструкцией по технике безопасности и расписаться в специальном контрольном листе. Студент должен строго соблюдать следующие указания.

1 Запрещается находиться в лаборатории в верхней одежде (пальто, плащи) а также класть одежду и другие предметы (портфели, сумки) на лабораторное оборудование, столы и другую мебель. Обязательно до начала работы следует надеть халат, имеющийся в лаборатории.

2 Во время работы в лаборатории запрещается:

-пить воду из лабораторной посуды;

-класть на лабораторные столы пищевые продукты и тем более употреблять их;

-испытывать реактивы на вкус и запах.

3 Без разрешения дежурного лаборанта запрещается включать или выключать электроприборы.

4

4 Химическая посуда, используемая в работе, должна быть предварительно чисто вымыта. Для мытья посуды используют воду (в том числе горячую), а в ряде случаев разбавленные технические кислоты, растворы едкой щелочи или карбоната натрия. Сильно загрязненную посуду моют «хромовой смесью» (насыщенный раствор бихромата калия в концентрированной серной кислоте).

5 Категорически запрещается всасывать ртом указанные растворы при мытье пипеток и бюреток. Для этой цели применяются резиновые груши и другие приспособления. При пользовании кислотами, щелочами и особенно хромовой смесью необходимо остерегаться попадания их на кожу лица, рук и одежду во избежание ожога.

6 Разлитые или рассыпанные на лабораторных столах реактивы, особенно концентрированные кислоты и щелочи, должны быть тут же удалены лаборантом, а соответствующее место тщательно вымыто водой. При необходимости залитое кислотой место должно быть предварительно нейтрализовано раствором карбоната или гидрокарбоната натрия.

Кислота, попавшая на кожу рук, лица, а также на одежду, должна быть тут же нейтрализована сухим гидрокарбонатом натрия, или его раствором, или разбавленным водным раствором аммиака, а затем смыта водой.

7 Все аналитические операции, связанные с растворением анализируемых материалов в кислотах, с выпариванием растворов аммиака, сопровождающиеся выделением вредных паров и газов (соляной, серной, фтористоводородной, азотной кислот, оксидов азота, диоксида серы, мышьяковистого водорода и др.) должны проводиться в вытяжном шкафу.

8 При разбавлении концентрированной серной кислоты водой

необходимо кислоту приливать небольшими порциями в холодную воду (но не наоборот!), размешивая стеклянной палочкой.

9 Нейтрализацию концентрированных кислот следует проводить, предварительно разбавив их дистиллированной водой, разбавленными растворами едких щелочей, аммиака и других оснований.

10 Перед нагреванием различных фильтратов (центрифугатов) их необходимо тщательно перемешивать стеклянной палочкой и лишь после этого ставить на нагревательный прибор.

11 Перед смешиванием двух (и более) кипящих растворов или перед добавлением к ним сухих реактивов необходимо снять растворы с нагревательных приборов и хорошо их перемешать.

5

12 При нагревании воды и других жидкостей в промывалках

необходимо предварительно извлечь их них пробку со стеклянными трубками.

13 При наблюдении процесса растворения анализируемых веществ в тиглях, колбах, стаканах, содержащих кислоты и щелочи, особенно горячие, категорически запрещается держать эти сосуды непосредственно перед глазами, а только на некотором безопасном расстоянии от них.

14 При переносе тигля с горячей жидкостью используют тигельные щипцы, которые следует держать вдали от себя и людей.

15 Особую осторожность следует соблюдать при проведении операции сплавления исследуемого объекта с плавнями. Запрещается склоняться над тиглем в процессе сплавления (возможен выброс расплава) и подносить его близко к глазам.

Оформление отчета о выполнении лабораторных работ

В лабораториях кафедры сертификации и аналитического контроля студенты выполняют определение элементов в растворах их соединений. Все результаты измерений, полученные как при построении калибровочных графиков, так и при выполнении контрольных задач, студенты заносят в лабораторный журнал. Лабораторный журнал следует вести аккуратно и грамотно. В отчете следует предусмотреть следующие разделы:

1)сущность изучаемого метода анализа;

2)методика (ход) выполнения определения;

3)построение градуировочного графика (если это входит в задачу лабораторной работы).

4)результаты измерений и их обработка;

5)расчет содержания определяемого компонента в растворах анализируемых проб.

По окончании работы преподаватель проверяет полученные студентом результаты, правильность ведения записей. Студент должен уметь ответить на вопросы теоретического и практического характера, связанные с выполненной работой.

6

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Лабораторная работа 1

(2 часа)

Химические реакции обнаружения ионов

Al3+, Sn2+, Sn4+, Pb2+, Ti4+, Cr3+, Mn2+, Fe2+,

Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+

1 Цель и задача работы

Изучение качественных реакций обнаружения ионов металлов. Приобретение практических навыков обнаружения ионов

металлов в растворах химическими методами.

2 Сущность качественного химического метода анализа

Качественный химический метод анализа основан на химических реакциях обнаружения ионов, которые сопровождаются:

-образованием осадка определенного цвета, формы и свойств;

-образованием окрашенного растворимого комплексного соединения или окрашенного продукта окислительно-восстановительной реакции;

-выделением газа со специфическими химическими и физическими свойствами.

Химические реакции обнаружения различаются по методике выполнения и способу наблюдения. Реакции можно выполнять «мокрым» и «сухим» путем. Чаще применяют анализ «мокрым» путем. При этом исследуемое вещество необходимо предварительно растворить в воде, кислоте или щелочи. Если вещество нерастворимо, следует сплавить его, например, со щелочью, а затем уже полученную расплавленную массу растворить в воде или кислоте.

Реакции, выполняемые «мокрым» путем, проводят преимущественно в пробирках и результат реакции наблюдают визуально. Особенно часто используют реакции, сопровождающиеся образованием окрашенных соединений.

7

Для обнаружения ионов также используют реакции, в результате которых образуются соединения с характерной формой кристаллов (микрокристаллоскопические реакции). При анализе микрокристаллоскопическим методом реакции проводят на предметном стекле. Форму и цвет образующихся кристаллов рассматривают под микроскопом.

Для обнаружения веществ можно использовать капельный метод анализа. Методика выполнения капельных реакций заключается в нанесении капель испытуемого раствора и раствора реагента на поверхность пористых материалов (фильтровальная бумага), в микротигли, на часовые стекла и в пробирки для микроанализа. Некоторые химические реакции, связанные с изменением цвета реагентов, имеют более низкий предел обнаружения, если их выполнять на бумаге, а не в пробирке.

3 Реагенты, растворы и аппаратура

В лабораторной работе используются следующие реагенты, растворы и аппаратура:

-водяная и песчаная бани;

-электрическая центрифуга;

-растворы анализируемых ионов Al3+, Sn2+, Sn4+, Pb2+, Ti4+, Cr3+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+;

-раствор, содержащий смесь ионов Al3+, Ti4+, Cr3+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+;

-раствор, содержащий смесь ионов Cu2+ и Pb2+;

-растворы солей аммония: хлорид NH4CNнас, фторид NH4Fнас, тиоцианат (роданистый аммоний) NH4SCNнас, ацетат (аммоний уксуснокислый) CH3COONH4 нас;

-раствор натрия сернистого 5 % Na2S;

-раствор калия иодистого 0,1 н KJ;

-растворы гексацианоферратов (II и III) калия: K4[Fe(CN)6] и K3[Fe(CN)6] – 0,5 н;

-растворы хромата K2CrO4 и бихромата K2CrO7 калия – 0,5 н;

-растворы гидрофосфата натрия Na2HPO4 – 0,5 н и насыщенный;

-раствор пероксида водорода 3 % H2O2;

-растворы кислот: серной H2SO4 (2 н, 7 н), соляной (2 н), фосфорной H3PO4 (конц.), азотной HNO3 (6 н), уксусной СН3СООН (2 н);

-растворы гидроксида натрия NaOH (2 н, 6 н);

-растворы аммиака NH4OH (1 н, 2 н, 13 н);

8

-пероксид натрия Na2O2 тв;

-висмутат натрия NaBiO3 тв;

-набор органических реагентов: бензидин уксуснокислый, амиловый спирт, диметилглиоксим (реактив Чугаева), дитизон, ализарин, анилин солянокислый;

-фильтровальная бумага;

-фильтровальная бумага, пропитанная хромотроповой кислотой;

-вода дистиллированная;

-набор стеклянной и фарфоровой посуды (конические и цилиндрические пробирки вместимостью 3–5 см3, конические колбы вместимостью 10 см3, плоские предметные стекла, фарфоровые чашки вместимостью 5–10 см3, фарфоровые тигли, капиллярные пипетки, шпатели, стеклянные палочки).

4 Выполнение реакций обнаружения ионов металлов в растворах

Реакции ионов p-элементов (Al3+, Sn2+, Sn4+, Pb2+)

Общей реакцией для этих ионов является взаимодействие со щелочами с образованием нерастворимых в воде, но растворимых в

кислотах и избытке осадителя гидроксидов белого цвета: Al3+ + 3OH– → Al(OH)3↓ (H3AlO3);

Al(OH)3↓ + 3H+ → Al3+ + 3H2O;

Al(OH)3↓ + 3 OH– → [Al(OH)4]–;

Sn2+ + 2OH– → Sn(OH)2↓ (H2SnO2); Sn(OH)2↓ + 2H+ → Sn2+ + 2H2O;

Sn(OH)2↓ + 2OH– → [Sn(OH)6]4–; [SnCl6]2+ + 4OH– → Sn(OH)4↓ + 6 Cl–;

Sn(OH)4↓ + 4H+ + 6Cl– → [Sn(Cl)6]2– + 4H2O;

Sn(OH)4↓ + 2OH– → [Sn(OH)6]2–; Pb2+ + 2OH– → Pb(OH)2↓ (H2PbO2);

Pb(OH)2↓ + 2H+ → Pb2+ + 2H2O;

Pb(OH)2↓ + 2OH– → [Pb(OH)4]2–.

Ионы р-элементов при взаимодействии с водным раствором гидроксида аммония образуют гидроксиды, нерастворимые в избытке осадителя.

Выполнение реакций. В ряд пробирок помещают по 2–3 капли растворов солей Al3+, Sn2+, Sn4+, Pb2+ и осторожно прибавляют к ним

9

при перемешивании 2 н раствор NaOH (или КОН) до образования осадка. Часть жидкости из каждой пробирки вместе со взмученным в ней осадком переносят в другую пробирку и, прибавив несколько капель какой-либо кислоты, наблюдают растворение осадка. На оставшийся в пробирках осадок действуют несколькими каплями NaOH (или КОН). Осадок при этом растворяется с образованием бесцветных ионов соответственно тетрагидроксоалюмината [Al(OH)4]–, гексагидроксостанита [Sn(OH)6]4–, гексагидроксостанната [Sn(OH)6]2– и тетрагидроксоплюмбита [Pb(OH)4]2–.

Ион Al3+ (бесцветный)

1 – пробирочная реакция. Обнаружение иона Al3+ основано на выделении осадка Al(OH)3↓ при нагревании щелочного раствора, содержащего тетрагидроксоалюминат-ионы, с избытком насыщенного раствора NH4Cl:

[Al(OH)4]– + NH4+ → Al(OH)3↓ + NH3↑+ H2O.

Реакцию выполняют в пробирке, куда помещают 2 капли соли Al3+, прибавляют 6 н раствор NaOH до растворения выпадающего осадка Al(OH)3, затем 8–10 капель насыщенного раствора NH4Cl и нагревают на водяной бане.

2 – капельная реакция. Обнаружение алюминия проводят из раствора, содержащего смесь ионов Al3+, Ti4+, Cr3+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Zn2+.

Гидроксид алюминия с ализарином (1, 2-диоксиантрахинон) образует внутрикомплексное соединение ярко-красного цвета (алюминиевый лак). В реакцию с ализарином вступают многие другие катионы, поэтому ее проводят в присутствии K4[Fe(CN)6] (подстилка) капельным методом. Мешающие катионы при этом осаждаются в виде малорастворимых соединений (гексацианоферратов марганца, кобальта, никеля, цинка), а Al3+, образующий наиболее растворимое соединение, перемещается к периферии пятна, где и может быть обнаружен с помощью ализарина после обработки пятна парами аммиака.

Выполнение реакции. На листок фильтровальной бумаги наносят каплю раствора K4[Fe(CN)6] и затем в центр образовавшегося влажного пятна каплю раствора анализируемой смеси ионов. Пятно обрабатывают парами аммиака, для чего бумагу в течение 0,5 мин держат над склянкой с концентрированным раствором NH4OН. Затем периферию пятна обводят концом пипетки с ализарином. В присутствии алюминия образуется широкое розовое кольцо ализаринового лака,

10