Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналитический контроль металлургического производства. Методические указания к лабораторному практикуму и самостоятельной работе студентов по дисципли
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра химии
Аналитический контроль металлургического
производства
Методические указания
к лабораторному практикуму и самостоятельной работе студентов
по дисциплине «Методы контроля и анализа веществ»
Составители: Е.С. Дергунова
Т.В. Кравченко
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2013
УДК 669:543(07)
Д-36
Рецензент – канд. техн. наук, доц. Шипельников А.А.
Дергунова Е.С.
Д–36 Аналитический контроль металлургического производства [Текст]:
методические указания к лабораторному практикуму и самостоятельной работе
студентов по дисциплине «Методы контроля и анализа веществ» / сост. Е.С.
Дергунова, Т.В. Кравченко. – Липецк : Изд-во ЛГТУ, 2013. – 66 с.
Методические указания содержат лабораторные работы, задания для
самостоятельной работы студентов и методические указания к их выполнению
и приведены тестовые задания для самоконтроля по дисциплине «Методы
контроля и анализа веществ».
Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 150400.62
«Металлургия», а также могут быть полезны студентам, обучающимся по
направлению 020100.62 «Химия», специальности 020201.65 «Фундаментальная
и прикладная химия».
Табл. 3. Библиогр.: 9 назв.
© Дергунова Е.С., Кравченко Т. В., 2013
© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный
технический университет», 2013
3
СОДЕРЖАНИЕ
Часть I.
Лабораторные работы по дисциплине «Методы контроля и
анализа веществ»…………………………………………………..
4
Часть II.
Задания для самостоятельной работы студентов и
методические указания к их выполнению………………………
32
Часть III.
Тестовые задания для самоконтроля……………………………..
49
Библиографический список…………………………………………………… 66
4
ЧАСТЬ I. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Методы контроля и анализа веществ»
Аналитический контроль металлургического производства является
необходимым звеном для организации управления качеством производства и
выпускаемой продукции. Аналитический контроль осуществляется
аналитической службой предприятия, а организуется и контролируется
аналитической службой отрасли. Использование методов аналитической химии
позволяет определить, из каких компонентов состоит анализируемое вещество,
в какой форме эти компоненты находятся в анализируемом объекте, а в
некоторых случаях становится возможным и установление пространственного
расположения компонентов.
Химический анализ представляет собой важное средство контроля сырья,
промежуточных и конечных продуктов производства в целом ряде отраслей
промышленности: металлургической, машиностроительной, горнодобывающей,
химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и др. При этом каждая
отрасль при постановке и решении аналитической задачи имеет свою
специфику. В металлургической промышленности такими объектами являются,
в первую очередь, металлы и сплавы, материалы черной и цветной
металлургии, редкие металлы.
Задачи анализа металлов и сплавов включают определение примесей и
легирующих добавок, определение газообразующих примесей, фазовый и
локальный анализ. Следовательно, анализ позволяет получить информацию не
только об общем (валовом) содержании компонентов в пробе, но и их фазовом
и пространственном распределении. Эти задачи современного
металлургического производства решаются, в первую очередь, методами
инструментального анализа: оптической спектроскопией, рентгеновской и
электронной спектроскопией, а также электрохимическими,
хроматографическими, термическими методами. Методами инструментального
5
анализа в настоящее время выполняется до 70 – 80% массовых
производственных анализов. Химические методы определения элементов
сохраняют свое значение, в первую очередь, для анализа стандартных образцов,
для контрольных и арбитражных анализов, для определения больших
содержаний элементов (элементов основы), а также для анализа несерийной
продукции.
МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИИ
Каждое аналитическое определение представляет собой целую систему
сложных процессов. Теоретически невозможно учесть влияние на результат
анализа каждого из многочисленных действующих одновременно факторов.
Для экспериментального учета этих воздействий используют определенные
приемы, в частности применяют эталоны. В качестве эталонов используют
стандартные образцы (CO) или лабораторные эталоны по типу промышленных
стандартных образцов из текущей продукции или в виде искусственных
химических смесей.
Независимо от используемого метода инструментального анализа
подходы к расчету концентраций на основе измерения значения величины
физического сигнала эталона S
и анализируемого образца Sан идентичны. С
эт
этой целью используют метод сравнения, метод градуировочного графика и
метод добавок; при определении высоких концентраций на границе
аппаратурных возможностей – дифференциальный метод.
Метод сравнения чаще всего используется при однократных
определениях. Для этого измеряют значение величины аналитического сигнала
(оптическая плотность или пропускание в абсорбционной спектроскопии,
степень почернения или яркость линии в эмиссионной спектроскопии,
диффузионный ток в полярографии или амперометрии и т.д.) для эталонного
образца S
с известной концентрацией определяемого компонента сэт и
эт
6
значение величины аналитического сигнала для исследуемого образца S
x
Измеряемый параметр S прямо пропорционален концентрации Sэт=k·сэт или
Sx=k·сx.
Поскольку коэффициент k – величина постоянная, то расчет
.
концентрации определяемого компонента в анализируемом образце с
можно
x
провести по формуле сx =сэтSx/Sэт.
Метод градуировочного графика используют при серийных
определениях. В этом случае изготавливается серия эталонов (растворов или
твердых образцов) с различным содержанием определяемого компонента. Для
всей серии в одинаковых условиях измеряют значения величин аналитического
сигнала. Строят градуировочный график в координатах S – с, причем по оси
абсцисс откладывают значения величин независимых переменных (с), а по оси
ординат - их функции (S). Обычно находят 5 – 8 точек. Наклон линии
определяет чувствительность метода. Ошибка определения тем меньше, чем
больше угол наклона кривой к оси абсцисс. Неизвестная концентрация с
определяется графически по значению величины измеренного сигнала S
.
x
Если полученная зависимость S – с имеет нелинейный характер, то
x
график строят в полулогарифмических или логарифмических координатах: lgS
– с, S – lgс, lgS – lgс. Градуировочный график может быть представлен в виде
линейного уравнения S= a + bс .
Расчет параметров калибровочного графика производится методом
наименьших квадратов. Гипотеза линейности калибровочного графика
проверяется методом дисперсионного анализа: сравнением дисперсии,
обусловленной рассеянием средних значений S
относительно линии регрессии,
i
с дисперсией, обусловленной ошибками воспроизводимости при параллельных
определениях. Современные анализаторы, используемые при серийных
анализах в производстве, могут иметь встроенное компьютерное обеспечение
разной степени сложности. Результаты обработки представляются на
печатающем устройстве и затем используются на основе калибровочного
7
графика, построенного вручную. Большинство зарубежных аналитических
приборов (квантометры, спектрофотометры, атомно-абсорбционные
спектрометры, хроматографы, устройства для проточно-инжекционного
анализа) включает встроенную ЭВМ с полной обработкой аналитической
информации.
Метод добавок используется в случае трудновоспроизводимого
сложного фона для определяемого компонента (например, при элементном
анализе сточных вод, при полярографическом анализе сложного объекта) и при
определении малых содержаний на границе аппаратурной чувствительности).
Сначала измеряют аналитический сигнал анализируемой пробы S
с
x
неизвестной концентрацией определяемого компонента сx. Затем в эту пробу
вводят стандартную добавку с известным содержанием с
значение величины аналитического сигнала S
с
находят расчетным путем сx = сэт·Sх/(S
х
– Sх). Формула справедлива, если в
х+эт
. Неизвестную концентрацию
x+эт
и снова измеряют
эт
результате введения добавки общий объем раствора не меняется.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
Определение фторида в водах с использованием фторид-селективного электрода
Определение фторид-иона весьма важно при анализе сточной и питьевой
воды, флюсов, шлаков и других объектов. Ионоселективный электрод (ИСЭ) на
основе пластинки из монокристалла LаF3 имеет нернстовскую электродную
функцию в интервале рF от 1 до 6. Рабочий интервал рН исследуемого раствора
составляет 4,5 – 8,0. Определению практически не мешают значительные
количества С1
-
, Вг- , N0
-
и др.
3
Реагенты и аппаратура. Фторид натрия, 0,1000 М стандартный раствор.
Нитрат калия, 1 М раствор. Силикат натрия (бромид, хлорид, иодид калия,
натрия), 0,1 М раствор. рН-метр, иономер. Индикаторный электрод, фторид –
селективный. Электрод сравнения, хлоридсеребряный.
8
Ход анализа. Включают измерительный прибор в сеть и прогревают в
течение 15 – 20 мин. Готовят в мерных колбах вместимостью 50,0 мл 1,0∙10-2,
1,0∙10-3, 1,0∙10-4, 1,0∙10-5 и 1,0∙10-6 М растворы NaF последовательным
разбавлением стандартного исходного 0,1000 М раствора, создавая в каждой
колбе постоянную (0,1 М) концентрацию сильного электролита КNО3.
Затем снимают зависимость потенциала фторидного электрода от
концентрации фторид-иона. Для этого в шесть стаканов вместимостью 50 мл
наливают по 10 – 15 мл приготовленных растворов и измеряют Е, переходя
последовательно от меньших к большим концентрациям. Величину Е
фиксируют после установления равновесного потенциала. В разбавленных
растворах время отклика фторид-селективного электрода возрастает и для
концентрации 1∙10-6 М составляет 2 – 3 мин. При смене раствора поднимают
держатель с электродами, подсушивают торец электрода фильтровальной
бумагой и погружают электроды в стакан с новым раствором. После
окончания измерения мембрану ИСЭ тщательно промывают
дистиллированной водой. Строят градуировочный график в координатах Е –
рF и находят область прямолинейной зависимости. Определяют крутизну
электродной функции (угловой коэффициент наклона градуировочного
графика) и сравнивают ее с теоретическим значением (59 мВ при 25 °С для
однозарядного иона при изменении активности в 10 раз). Убедившись в
линейности градуировочной функции, определяют содержание фторид-иона
следующими методами:
- методом градуировочного графика,
- методом добавок.
По градуировочному графику определяют предел обнаружения (
Cmin,p
)
фторид-ионов. Определяют коэффициенты селективности фторидного
электрода по отношению к фторид-иону в присутствии посторонних анионов
методом смешанных растворов. Для этого готовят серию растворов сравнения
NaF c концентрациями 1,0∙10-2, 1,0∙10-3, 1,0∙10-4, 1,0∙10-5 М, используя в
9
качестве фонового электролита 0,1 М растворы Nа2SiО3, NaCI, NаВr или
NаI. Строят градуировочный график в координатах Е – рF и находят
концентрацию фторида, соответствующую отклонению электродной функции
от прямолинейной зависимости. Рассчитывают коэффициент селективности.
После окончания работы выключают прибор, промывают электроды
дистиллированной водой и оставляют погруженными в воду.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
Определение свинца(II) в растворе
При потенциометрическом титровании ионов свинца невозможно
применение электрода первого рода (металлического cвинца) из-за его большой
электролитической упругости растворения. Поэтому обычно в качестве
индикаторного используют электрод II рода. Смесь ионов гексацианоферрата
(II) и гексацианоферрата (III), представляющая собой обратимую окислительно-
восстановительную систему, является потенциалопределяющей в случае
использования инертного электрода (обычно платинового). Ионы свинца
образуют малорастворимые соединения Pb3[Fe(CN)6]2 и Pb2[Fe(CN)
]. Поэтому,
6
если до титрования в испытуемый раствор прибавить немного раствора соли
K3Fe(CN)6, то возможно образование РЬ3[Fе(СN)6]2. При прибавлении
титрованного раствора K4Fe(CN)
ионы свинца переходят в менее растворимое
6
соединение — гексацианоферрат(П) свинца. Поэтому в начале титрования
потенциал электрода несколько возрастает за счет увеличения концентрации
Fe(CN)
3-
, а затем уменьшается.
6
Реагенты и аппаратура. Гексацианоферрат (II) калия, стандартный
0,0500 М раствор. Гексацианоферрат (III) калия, 1%-ный раствор. Уксусная
кислота, 1 М раствор. Иономер, рН-метр. Индикаторный электрод, платиновый.
Электрод сравнения, хлоридсеребряный.
Ход анализа. К аликвоте испытуемого раствора в стакане для титрования
прибавляют цилиндром 20 мл раствора уксусной кислоты и 1 мл раствора
10
гексацианоферрата (III) калия. Бюретку со стандартным раствором
гексацианоферрата (II) калия закрывают трубкой с натронной известью для
предотвращения разложения титранта под действием СО2. Проводят
ориентировочное титрование, обнаруживая скачок титрования. Выполняют
точное титрование, прибавляя раствор титранта по две капли в области КТТ.
Массу свинца в испытуемом растворе рассчитывают с учетом состава
образующегося при титровании осадка Pb
[Fe(CN)6].
2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
Определение кобальта (II) в растворе
Реагенты и аппаратура. Дихромат калия – 0,0500 М (1/6 K2Cr2O7)
стандартный раствор. Серная кислота – H2SO4 (1:4). ЭДТА, 0,1 М раствор.
Индикаторный электрод, платиновый. Электрод сравнения, хлоридсеребряный.
рН-метр.
Ход анализа. К аликвоте испытуемого раствора в стакане для титрования
прибавляют цилиндром 30 мл воды, 10 мл H2SO4 (1:4), 2 мл раствора ЭДТА для
предотвращения окисления ионов Со (II) кислородом воздуха, путем связывания
их в малоустойчивый комплекс. Проводят ориентировочное титрование,
обнаруживая скачок титрования. Выполняют точное титрование, прибавляя
раствор титранта по две капли в области КТТ. Рассчитывают содержание
кобальта в испытуемом растворе.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4
Определение концентрации ферроцианида калия методом
градуировочного графика
При наложении на индикаторный электрод внешнего потенциала,
изменяющегося в анодную область значений, ферроцианид калия K4[Fe(CN6)]
способен электрохимически окисляться, превращаясь в феррицианид калия
K3[Fe(CN)
]. Работа состоит в изучении вольтамперограмм стандартных
6
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]