Аналитическая химия: Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы

Министерство образования Российской Федерации СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химии и охраны окружающей среды

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА, ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНОЛОГИИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Специальность 1208 Направление

- материаловедение в машиностроении

Санкт-Петербург 2002

Утверждено редакционно-издательским cоветом университета. УДК 543 (075) Аналитическая химия. Рабочая программа, задания на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы. СПб. : СЗТУ, 2002. - 77с. Рабочая программа, задание на контрольную работу, методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Аналитическая химия» предназначены для студентов 2 курса специальности 1208 материаловедение в машиностроении и направления По всем разделам курса представлена рабочая программа с вопросами для самоконтроля, составлены контрольные задания, приведены методические указания к их выполнению . Рабочая программа разработана в соответствии с Государственным образовательным стандартом Высшего профессионального образования по специальности 1208 и направлению . Рассмотрено на заседании кафедры химии и охраны окружающей среды 20 июня .2002 г., одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов июня .2002 г. Рецензенты : кафедра химии и охраны окружающей среды СЗПИ (зав. каф. Г.С. Зенин, д-р техн. наук, проф.); Л.С.Надежина, канд.хим.наук,вед.научн.сотр. СПб технического университета С.С. Ермаков, канд. хим. наук, доц. кафедры

аналитической химии Санкт-Петербургского государственного университета. Научный редактор Г.С. Зенин, д-р техн. наук, проф. Составитель: Т.В. Беляева, канд. хим. наук, проф., Н.Ф. Волынец, канд. хим. наук, доц.

©Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2002

3

1. ПРЕДИСЛОВИЕ Аналитическая химия - это наука об определении химического состава веществ и отчасти их строения. 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. Предметом аналитической химии является теория и практика химического анализа. Химический анализ представляет собой важное средство контроля сырья, промежуточных и конечных продуктов производства в целом ряде отраслей промышленности:, металлургической, машиностроительной, горнодобывающей, химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, фармацевтической, пищевой. Химический анализ необходим в медицинской диагностике, биотехнологии, геологической службе, как главное средство контроля загрязненности окружающей среды. При этом каждая отрасль при постановке и решении аналитической задачи имеет свою специфику. Аналитическая служба - это сервисная система, обеспечивающая конкретный анализ определенных объектов с использованием арсенала методов, рекомендуемых аналитической химией. В машиностроительной промышленности такими объектами являются, в первую очередь, металлы и сплавы - материалы черной и цветной металлургии и редкометаллической промышленности, а также сложные композиционные материалы (металлы и сплавы с защитными покрытиями, композиты на основе полимеров, конструкционные пластические массы). 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. При анализе полимеров и материалов на их основе необходима информация элементного, молекулярного и структурно-группового характера. В аналитической химии широко используются такие разделы химии, как учение о химическом равновесии, химическая кинетика, неорганическая, органическая, поверхностные явления и дисперсные системы, электрохимия. Развитие многих методов анализа происходит под влиянием постоянного развития соответствующих разделов физики (например,

4

успехи оптической, рентгеновской, радиочастотной спектроскопии определяют развитие соответствующих методов анализа) и в результате прогресса в приборостроении. Содержание дисциплины «Аналитическая химия и физикохимические методы анализа» связано со следующими дисциплинами специальности «Материаловедение в машиностроении»: - «Метрология, стандартизация и сертификация», - «Промышленная экология», - «Математические методы моделирования систем защиты окружающей среды», - «Теоретические основы защиты окружающей среды», - «Управление охраной окружающей среды», - «Экологическая экспертиза, ОВОС и сертификация», - «Методы и прибоы контроля окружающей среды и экологический мониторинг», - «Инженерная защита окружающей среды предприятий химической промышленности». Целью изучения дисциплины «Аналитическая химия» является расширение и углубление знаний, полученных студентом в курсе неорганической химии о химических свойствах элементов и их соединений, входящих в состав сырья, промежуточных и конечных продуктов металлургического производства: руд, минералов, флюсов, шлаков, металлов и сплавов; ознакомление со структурой современной аналитической химии, классификацией видов анализа в зависимости от решаемых задач, с основными методами аналитической химии, а также с химическими, физическими и физико-химическими методами анализа, широко используемыми на металлургических и машиностроительных предприятиях в современном производстве материалов и при решении задач охраны окружающей среды.

По окончании изучения курса «Аналитическая химия» Студент должен получить представление: - об элементном, молекулярном , фазовом анализе; - о принципах, на которых основаны методы разделения и концентрирования при построении аналитической методики; - об основных методах пробоотбора, подготовки пробы к анализу, используемым при анализе металлов, сплавов, полимерных материалов, и основных методах анализа этих объектов; - об основном приборном парке современной аналитической лаборатории;

5

-о месте знаний химических и химико-аналитических свойств элементов и их соединений при дальнейшем изучении проблем материаловедения и технологических процессов производства материалов, их последующем использовании в машиностроении.

Студент должен знать : - основные методы количественного химического анализа: титриметриметрию и гравиметрию; - основные физические и физико-химические методы анализа: спектроскопические оптические, спектроскопические рентгеновские и электронные, масс-спектрометрические, электрохимические и хроматографические. Студент должен получить навыки: - проведения расчетов, связанных с операциями гравиметрического и титриметрического анализов; - работы на оптических, электрохимических и хроматографических приборах ; - расшифровки аналитических сигналов, полученных вручную или при использовании соответствующего программного обеспечения, при проведении физико-химического анализа и обработке полученной информации; - правильного представления результатов анализа в отчете о проделанной экспериментальной работе и их критической оценки; -работы с нормативно-правовыми и нормативно-техническими документами, регламентирующими работу сервисной аналитической службы в металлургической и машиностроительной промышленности.

6

2. СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ 2.1. Структура аналитической химии

Аналитическая химия Качественный анализ

Количественный анализ Виды анализа

Методы аналитической химии

7

2.2. Классификация видов анализа Качественный анализ

Количественный анализ

фазовый

молекулярный

структурный

изотопный

элементный

по природе обнаруживаемых и определяемых частиц

по массе и объему пробы макро-

микро-

ультрамикро-

субмикро-

технический анализ маркировочный

экспрессный

арбитражный

недеструктивный

непрерывный

дистанционный

локальный

специальные виды анализа

8

2.3. Методы аналитической химии Методы пробоотбора Методы подготовки пробы к анализу Методы разделения и концентрирования

Гравиметрические Химические

Методы обнаружения

Титриметрические Волюмометрические

Методы определения Спектроскопические оптические Спектроскопические рентгеновские и электронные Физические и физикохимические

Радиоспектроскопические Ядерно-физические Массспектрометрические Электрохимические Хроматографические

9

3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (объем дисциплины 74 часа) В приведенной программе даны обязательные для всех студентов разделы. Темы лекций и перечень лабораторных работ приведены для студентов, обучающихся в Санкт-Петербурге на институтской лабораторной базе. При организации обучения на базе крупных промышленных предприятий рабочая программа и содержание очных видов занятий могут корректироваться с учетом особенностей и потребностей производства. Введение (3 часа) (1) с.5...10; (3) с.8...10

Аналитическая химия как наука. Фундаментальные и прикладные аспекты аналитической химии. Понятие о химических, физических и физико-химических методах анализа. Аналитическая сервисная служба. Значение и области использования химического анализа. Понятие об аналитической химии и химическом анализе. Аналитическая химия как наука и как сервисная служба, обеспечивающая функционирование ведущих отраслей народного хозяйства, систем охраны природы и здоровья населения, оборонного комплекса. Виды анализа и методы аналитической химии. Аналитический контроль металлургического производства и его роль в изучении, научном обосновании металлургических процессов, их рациональном проведении и в выпуске высококачественной продукции.

Структура современной аналитической химии. Качественный и количественный анализ. Виды анализа: элементный, изотопный, вещественный, молекулярный, структурно-групповой (функциональный), фазовый; технический анализ: маркировочный, экспрессный, арбитражный; валовый, локальный, дистанционный, непрерывный. Методы аналитической химии: методы пробоотбора, методы разложения проб, методы разделения и концентрирования, методы обнаружения, методы определения.

10

Вопросы для самопроверки 1. В чем разница между понятиями аналитическая химия и химический анализ? 2. Расскажите о различных подходах к классификации методов анализа. 3.1. СТРУКТУРА СОВРЕМЕННОЙ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ (16 часов) 3.1.1. Виды анализа (3 часа)

[2], кн.1, с. 5...11 [1] , с. 5...11; [3] , с. 7..8 Качественный и количественный анализ. Классификация видов анализа в зависимости от природы обнаруживаемых или определяемых частиц: элементный, изотопный, структурно-групповой (функциональный), молекулярный, вещественный, фазовый; в зависимости от массы или объема пробы: макро-, полумикро-, микро-, ультрамикро-, субмикроанализы. Аналитический контроль производства (технический анализ): маркировочный , экспрессный , арбитражный анализы. Валовый, локальный, дистанционный, непрерывный, недеструктивный (неразрушающий) анализ. Вопросы для самопроверки 1. Сформулируйте задачи качественного и количественного анализа. 2. В чем заключается сущность элементного, молекулярного и фазового анализа ? 3. Для анализа каких веществ применяется структурно-групповой анализ? 4. Какие массы и объемы анализируемых веществ соответствуют микрои ультрамикроанализу ? 3.1.2. Методы аналитической химии ( 13 час) 3.1.2.1. Основные стадии построения аналитической методики и классификация методов аналитической химии (2 часа)

[2], кн.1, с. 8...9 Объекты анализа в производстве материалов в машиностроении. Основные стадии построения аналитической методики и основные методы аналитической химии: методы пробоотбора, методы разложения

11

проб, методы разделения и концентрирования, методы обнаружения, методы определения. 3.1.2.2. Методы пробоотбора (2 часа)

[ 2], кн. 1, с. 59...67; [ 1], с. 43...45 Генеральная, лабораторная и анализируемая проба. Особенности отбора пробы твердых веществ, отбор пробы газов. Потери и загрязнения при пробоотборе. 3.1.2.3. Методы разложения пробы (2 часа)

[2], кн. 1, с. 67...78 Выбор способа разложения пробы. Учет природы анализируемого объекта, химического состава образца, химических свойств определяемого компонента; учет конечной цели анализа, его вида; учет выбранного аналитического метода. ″Сухие″ способы разложения образца: термическое разложение (пиролиз, сухое озоление), спекание и сплавление с различными веществами. Щелочные, кислые, окислительные плавни. ″Мокрые″ способы разложения . Растворение в кислотах и их смесях. 3.1.2.4. Методы разделения и концентрирования (5 часов)

[3.1], кн. 1, с. 207...216; 226...236; 239...258 [1], с. 81...100 Характеристика аналитических реакций: предел обнаружения, специфичность, селективность. Методы снижения предела обнаружения: изменение рН раствора, предварительное концентрирование элемента методами экстракции, соосаждения, флотации. Специфичность, избирательность, селективность реакции. Создание селективных условий для определения ионов в различных природных и промышленных объектах: регулирование рН, маскирование и демаскирование, использование методов разделения. Маскирование. Приемы маскирования: связывание мешающего иона в комплексное соединение, изменение степени окисления мешающего иона, изменение рН раствора. Разделение и концентрирование. Количественные характеристики разделения и концентрирования: коэффициент распределения, степень из-

12

влечения, коэффициент разделения, коэффициент концентрирования. Осаждение и соосаждение как методы разделения и концентрирования.. Электрохимическое осаждение. Экстракция как метод разделения и концентрирования. Понятие о хроматографических и других методах разделения и концентрирования: дистилляция, зонная плавка, электрохроматография; методы разделения, использующие сублимацию. 3.1.2.5. Методы обнаружения и определения. Химические, физические и физико-химические методы (2 часа)

[2], кн. 1, с. 24...30; [3], с. 8...11 Методы обнаружения (идентификации) и методы определения. Химические, физические и физико-химические методы. Понятия метода и методики. Выбор метода анализа. Факторы, учитываемые при выборе метода и методики: содержание компонента в образце и чувствительность метода, избирательность метода, требуемая точность анализа, экспрессность метода, стоимость анализа, возможность автоматизации анализа при проведении массовых однородных определений, некоторые специфические требования, возникающие при дистанционном анализе, при локальном, недеструктивном анализе. Метрологическое обеспечение анализа химического состава. Правильность и воспроизводимость результатов анализа. Стандартные образцы, стандарты на методы анализа

Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные химические, физические и физико-химические методы анализа. 2. Перечислите основные этапы построения аналитической методики и соответствующие им методы аналитической химии. 3. Какие требования предъявляются к генеральной пробе анализируемого вещества? 4. Какими факторами определяются способ отбора и размер пробы? 5. Как отбирается проба твердого вещества (металла, сплава, руды) и газа? 6. Как подбираются тип плавня и режим плавления при анализе металлов, сплавов и руд?

13

7. Какие ″мокрые″ и ″сухие″ методы могут быть использованы для разложения органических соединений (например, пластмасс) при подготовке к элементному анализу? 8. Перечислите возможные источники ошибок в процессе отбора и разложения пробы. 9. Что называется пределом обнаружения (ПрО) ? 10. Какие реакции называются специфическими? 11. В чем заключается процесс маскирования? 12. Какие процессы протекают при экстракции? 13. Какой процесс предпочтительнее при электролитическом разделении компонентов: электролитическое выделение микрокомпонентов или компонентов матрицы? 14. На чем основано хроматографическое разделение смесей веществ? 15. Перечислите метрологические характеристики методов химического анализа. 16. Какими методами проверяется правильность результатов анализа? 17. Что представляют собой стандартные образцы?

3.2. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ( 20часов) . (1) с.103...157; 180...201; 204...208; 217...230). (3) с.11...25

Аналитические свойства элементов и их соединений. Подготовка вещества к анализу. Методы разложения анализируемого объекта (растворение, химическая обработка, сплавление, окислениевосстановление). Основные типы аналитических реакций. Аналитические свойства и периодический закон Д.И.Менделеева. Закон сохранения массы веществ и закон постоянства состава в аналитической химии. Закон эквивалентов основа количественных расчетов. Химическое равновесие и применение закона действующих масс к различным типам химических реакций. Классификация методов титриметрического анализа и их характеристика. Кислотно-основное, окислительно-восстановительное титрование. Методы осаждения и комплексообразования. Способы титрования: прямое, обратное, титрование заместителя. Приготовление стандартных (титрованных) растворов. Установочные вещества. Определение конечной точки титрования. Индикаторы. Расчеты в титриметрическом анализе. Формы выражения концентраций: массовая, молярная, молярная концентрация эквивалента, специфические для объемного анализа способы выражения концентраций: титр рабочего раствора, титр рабочего раствора по определяемому веществу. Применение титриметрических методов при

14

анализе объектов производства материалов. Общая характеристика гравиметрического (весового) метода анализа. Методы осаждения, выделения и отгонки. Теоретические основы выделения осадков из растворов специфическими неорганическими и органическими реагентам. Методы повышения точности гравиметрических определений. Роль гравиметрического метода при проведении контрольных и маркировочных анализов. Вопросы для самоконтроля 1. Перечислите основные типы аналитических реакций. 2. Сформулируйте основные химические законы, используемые аналитической химии. 3. Как рассчитать эквивалентную массу в реакциях обмена, окислительно-восстановительных реакциях? 4. Что показывает величина pH? 5. Сформулируйте правило произведения растворимости. 6. Запишите выражение ионного произведения воды, константы ионизации слабой кислоты, константы не - стойкости комплексного иона, произведения растворимости малорастворимого электролита. 7. Перечислите основные методы титриметрического анализа и объясните, как они используются в современом аналитическом контроле металлургического производстве. 8. Какие элементы можно определить перманганатометрически? 9. Напишите реакции, протекающие при иодометрическом определении серы. 10. Какими методами можно определить мышьяк, олово, сурьму? 11. В чем заключаются методы выделения осаждения и отгонки? Приведите примеры определения этими методами. 12. Перечислите основные этапы подготовки пробы к анализу и проведения анализа методом осаждения. 13. Какие требования предъявляются к весовой и осаждаемой формам? 14. Какими способами можно повысить точность гравиметрического определения? 15. Приведите примеры использования гравиметрического метода при контрольном и маркировочном анализе сталей.

15

3.3. Физико-химические и физические методы (

часа)

3.3.1. Классификация инструментальных методов анализа (2 часа) (1) с.107...110; 156...165

Классификация физико-химических и физических методов анализа и их сравнительная характеристика. Особенности и границы применения методов. Основные методы расчета концентраций при инструментальных определениях: метод сравнения, метод калибровочного графика, метод добавок. спектроскопические оптические спектроскопические рентгеновские и электронные радиоспектроскопические ядерно-физические масс-спектрометрические электрохимические хроматографические из ГОСа представления об элементном, молекулярном, фазовом анализе; качественный анализ; методы разделения и концентрирования веществ;. Методы количественного анализа; физико-химические и электрохимические методы анализа; хроматография, масс-спектрометрия, в том числе вторичная ионная спектрометрия, электронная спектроскопия, рентгеноспектральный микроанализ

масс-

Вопросы для самоконтроля 1. Перечислите основные оптические и электрохимические методы анализа. 2. В чем заключаются метод сравнения и градуировочного графика? Почему при серийных определениях целесообразнее использовать метод градуировочного графика? 3. В каких случаях для определения содержания элементов целесообразно использовать метод добавок?

16

3.3.2. Спектроскопические оптические методы анализа (26 часов) ……. с.208...217, 250...266; (3) с.25...33, 48...65, 71...74

Абсорбционный спектральный анализ Молекулярно-абсорбционный анализ. Закономерности поглощения электромагнитного излучения в растворах. Законы светопоглощения. Фотометрический анализ. Визуальные колориметрические методы. Приборы для измерения светопоглощения: фотоэлектроколориметры и спектрофотометры. Использование метода для элементного анализа химического состава материалов и при решении задач охраны окружающей среды. Метрологические характеристики метода. Атомно-абсорбционный спектральный анализ (ААС). Аппаратура метода. Метрологические характеристики. Сравнительные возможности и перспективы использования в аналитическом контроле молекулярноабсорбционного и атомно-абсорбционного методов. Эмиссионный спектральный анализ. Качественный и количественный спектральный анализ. Принципиальная схема спектральных эмиссионных приборов. Визуальные, фотографические и фотоэлектрические методы регистрации спектра. Монохроматоры и полихроматоры (квантометры). Вакуумные квантометры для определения углерода, серы, фосфора. Метрологические характеристики метода и его использование в аналитическом контроле химического состава материалов. Спектральный анализ газов , содержащихся в металле; определяемые элементы (О, Н, N). Вопросы для самоконтроля 1. Какие области электромагнитного излучения используются в аналитической химии? 2. Какие источники излучения используются в фотоэлектроколориметре и в атомно-абсорбционном спектрометре? 3. Почему в фотоэлектроколориметре монохроматор (светофильтр) помещен перед кюветой с поглощающим раствором, а в ААС - расположен за пламенем горелки? 4. В чем разница между подготовкой пробы к измерению поглощения в молекулярной спектроскопии и в методе ААС? 5. Как вязаны между собой величины пропускания и оптической плотности? 6. Что показывает молярный коэффициент поглощения? 7. Какая зависимость называется спектром поглощения? Какая область спектра является оптимальной для проведения

17

анализа? 8. Какие методы определения концентраций целесообразно применять при серийных фотометрических анализах? 9. Как производится идентификация спектральных линий при качественном эмиссионном спектральном анализе? 10. Что называется гомологической парой линий? 11. Что называется спектральной линией? 12. Какое уравнение лежит в основе количественного определения в атомном эмиссионном спектральном анализе? 13. Почему в ходе анализа измеряется не абсолютная, а относительная интенсивность спектральной линии? 14. В чем особенность подготовки пробы при проведении атомного эмиссионного спектрального анализа руд, минералов, сплавов? 15. Сколько выходных щелей должно быть в квантометре для одновременного определения одиннадцати элементов 3.3.3. Спектроскопические рентгеновские и электронные (

часа)

Рентгеноспектральный микроанализ Электронная спектроскопия 3.3.4. Масс-спектральный анализ (4 часа) [2], с.69...71, 105, 122

Сущность метода. Масс-спектр. Схема масс-спектрометра. Лазерные и ионно-эмиссионные масс-спектрометры и их применение для анализа газов в металлах и сплавах., элементного анализа твердых веществ. Вопросы для самоконтроля 1. Как производится ионизация вещества в масс-спектрометрах? 2. На каком принципе основано разделение ионов в масс-спектрометрии? 3. Назовите основные методы регистрации масс-спектра и обработки данных анализа. 4. Перечислите задачи, для решения которых используется массспектральный анализ в металлургическом производстве.

18

3.3.5. Электрохимические методы анализа (12 часов) (1) с.230...250; (3) с.37...40

Потенциометрический анализ. Прямая потенциометрия и потенциометрическое титрование. Уравнение Нернста. Индикаторные электроды и электроды сравнения. Выбор электродов. Определение конечной точки титрования компенсационным и некомпенсационным методами. Ионометрия, ионоселективные электроды. Применение потенциометрического анализа для определения элементов, проявляющих переменную степень окисления: железа, хрома, марганца, ванадия. Использование ионометрии при решении экологических задач, в организации мониторингового контроля окружающей среды. Метрологические характеристики метода. Полярографический метод анализа. Сущность метода. Принципиальная схема полярографа. Полярографическая волна, использование ее параметров для получения аналитической информации качественного и количественного характера. Использование полярографии для определения микропримесей в особо чистых материалах.. Метрологические характеристики метода. Амперометрический метод анализа. Принцип метода, область применения, метрологические характеристики. Кулонометрический метод анализа. Законы Фарадея. Прямая кулонометрия и кулонометрическое титрование. Экспресс-анализаторы на углерод, серу, кислород. Метрологические характеристики метода. Электрогравиметрический метод анализа. Схема установки, принцип определения. Определение содержания меди в латуни и бронзе, определение содержания примесей в металлах и сплавах методом внутреннего электролиза. Метрологические характеристики метода. Вопросы для самоконтроля 1. Какая зависимость лежит в основе потенциометрического метода анализа? 2. Как подбираются электроды в потенциометрии? Какие требования предъявляются к индикаторному электроду и к электроду сравнения? 3. Какие электроды используются для определения концентрации ионов водорода? 4. Что показывает потенциал полярографической полуволны и высота полярографической волны?

19

5. Нарисуйте основные типы амперометрических кривых и объясните, что показывает точка перегиба на них. Как используется этот параметр для расчета содержания определяемого элемента? 6. Какие параметры необходимо знать для расчета количества определяемого вещества в кулонометрии? 7. Какие методы анализа задействованы в схеме кулонометрического анализатора на углерод? 8. Сформулируйте законы Фарадея и объясните, как они используются в кулонометрии и электрогравиметрии. 3.3.6. Хроматографические методы анализа (4 часа) [1], с.98...102; [2], с.101...102

Использование хроматографических методов для разделения, анализа и контроля объектов металлургического производства. Принципы классификация хроматографических методов. Применение хроматографии для разделения и концентрирования веществ в аналитическом контроле и для определения газов в металлах. Автоматические хроматографы. Вопросы для самоконтроля 1. На чем основано разделение веществ хроматографическим методом? 2. Как классифицируются хроматографические методы анализа? 3. В чем заключается сущность работы газового хроматографа? 4. Какие сорбенты используются в газовой хроматографии? 5. Какие детекторы используются в газовых хроматографах?

3.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В АНАЛИТИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА (12 часов) [1], с.266...272, 288...293,53...63, 309...319,333, 338,342,345,348...366; [3], с.64...65

Краткая характеристика химического состава сырья, вспомогательных материалов и конечных продуктов в металлургическом производстве: - сырье (руды, минералы); - вспомогательные материалы (шлаки, флюсы); - конечные продукты (металлы, сплавы).

20

Выбор метода анализа и построение аналитической методики. Отбор средней пробы и ее подготовка к анализу при использовании физических и физико-химических методов анализа. Построение аналитической методики при анализе руды и минералов, шлаков и флюсов, чугунов, нелегированных и легированных сталей, легких, цветных, твердых сплавов. Анализ чистых металлов. Анализ газов. Анализ неметаллических включений. Организация аналитической службы на предприятии. Виды анализа: экспрессный, маркировочный, контрольный, арбитражный. Достигнутая точность при аналитических определениях в анализе технических, чистых и сверхчистых материалов. Проблемы аналитической химии в связи с применением редких и рассеянных элементов, дальнейшим развитием атомной энергетики, радиоэлектроники, техники полупроводников, производства мономеров и полимеров. Перспективы развития различных областей теории и практики аналитической химии в соответствии с потребностями исследовательского характера, серийных промышленных определений, решения задач прецизионного характера . Метрологическое обеспечение анализа химического состава. Вопросы для самоконтроля 1. Что называется средней пробой? 2. Как получить среднюю пробу из сыпучих, твердых материалов, из жидкого металла? 3. В чем заключается основное отличие при подготовке пробы к анализу с использованием физических и физико-химических методов? 4. Перечислите основные этапы подготовки пробы к анализу физикохимическим методом. 5. В чем заключается маскировка ионов и в каких случаях она является необходимой? 6. Какими методами можно осуществить разделение? 7. Как можно провести концентрирование и когда оно является необходимым? 8. В чем заключается контрольный, маркировочный, арбитражный, экспрессный.анализ?

21

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (12 часов) 1. Комплексонометрическое определение оксидов кальция и магния в шлаках. 2. Иодометрическое определение меди в сталях. 3. Фотометрическое определение железа методом калибровочного графика. 4. Фотометрическое определение хрома методом сравнения. 5. Фотометрическое определение кремния (никеля, фосфора) в чугуне и стали. 6. Амперометрическое определение сурьмы. 7. Потенциометрическое определение содержания кислоты. 8. Качественный эмиссионный спектральный анализ. Полуколичественное определение цинка в латуни и бронзе, хрома в чугуне с помощью стилоскопа. 9. Определение содержания углерода в стали на кулонометрическом анализаторе . Из приведенного списка студент выполняет одну работу по титриметрическому анализу и две работы выборочно по физико-химическим методам анализа. Для студентов групп при предприятиях при наличии условий лабораторный практикум организуется на базе ЦЗЛ и включает примеры решения задач аналитического контроля на данном предприятии. ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Смирнов Н.А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства: Учебник. - М.: Металлургия, 1985, 256 с. 2. Основы аналитической химии. В 2 кн.: Учеб. для вузов/ Ю.А. Золотов, Е. Н. Дорохова, В.И. Фадеева и др.; под ред. Ю.А. Золотова. - М.: Высш. шк., 1999. - 930 с.: ил. 3. Посыпайко В.И., Васина Н.А. Аналитическая химия и технический анализ: Учеб.пособие. - М.: Высш.школа, 1979, - 384 с. Дополнительная 1. Степин В.В., Курбатова В.И., Федорова Н.Д. Анализ черных металлов и сплавов. 3-изд.перераб.и доп. - М.: Металлургия, 1980, 272 с. 2. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. -Л.: Химия, 1989.

22

3. Лазарев Л.И., Харламов Н.П., Яковлев Р.Я. и др. Справочник химикааналитика. - М.: Металлургия, 1978. Тематический план лекций

1. Введение. Современное состояние и перспективы развития аналитической химии. Основные задачи аналитической химии и методы их решения . . . 2 часа 2. Классификация химических и инструментальных методов анализа. Построение аналитической методики. Технико-экономическое обоснование выбора метода анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 часа

23

ЗАДАНИЯ НА КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Выполнение контрольных заданий способствует закреплению и углублению теоретических знаний, полученных студентом в ходе самостоятельной работы над материалом курса. Задания выполняются в тонкой ученической тетради. Условие переписывается полностью. На каждой странице должны быть оставлены поля шириной 5…6 см. Все данные, необходимые для выполнения заданий, имеются в рекомендованных учебниках. Вариант выбирается по одной или двум последним цифрам шифра студента. 1. Химические методы анализа 1. 1. Гравиметрический метод анализа Задача №1 Номер варианта выбирается по сумме двух последних цифр шифра. 1. При определении серы в чугуне его обрабатывают кислотой и выделившийся сероводород улавливают раствором соли кадмия. Обрабатывая осадок раствором сульфата меди, переводят его в сульфид меди. При прокаливании получают оксид меди, который взвешивают. Вычислить аналитический множитель для этого определения. 2. Из навески стали массой 1,0000 г получили осадок SiO2 и WO3 общей массой 0,1021 г. После обработки осадка HF и отгонки кремния масса остатка стала равной 0,0712 г. Вычислить массовую долю (%) кремния и вольфрама в стали. 3. Из 2,7000 г сплава получили 0,2004 г Al2O3 и 0,0518 г SiO2. Вычислить массовую долю алюминия и кремния в сплаве. 4. Из навески алюминиевого сплава массой 5,0000 г получили 0,0560 г SnO2. Вычислить массовую долю олова в сплаве. 5. Из навески серного колчедана массой 0,1500 г при определении серы получили осадок BaSO4 массой 0,5155 г. Рассчитайте массовую долю (%) серы в колчедане и аналитический множитель(фактор пересчета) для этого определения. 6. Вычислить массовую долю (%) Fe3O4 в магнитном железняке, если из навески руды массой 0,5000 г получили 0,3089 г Fe2O3. Вычислить аналитический множитель(фактор пересчета) для этого определения.

24

7. Вычислить массовую долю (%) свинца в бронзе, если из навески образца массой 1,000 г получили 0,0430 г PbSO4 и аналитический множитель(фактор пересчета) для этого определения. 8. Для определения содержания кремния взята навеска чугуна массой 0,5000 г; полученная в результате определения масса SiO2 равна 0,0227 г. Вычислить массовую долю кремния (%) в чугуне. 9. Для определения содержания железа в руде его осаждают аммиаком в виде Fe(OH)3, который при прокаливании переходит в Fe2O3. Какой объем раствора аммиака с концентрацией c(NH3) = 1 моль/л потребуется для осаждения железа из 0,2 г руды, содержащей 20% (масс) Fe2O3? 10. Какую навеску сплава, содержащего около 65% (масс) Pb, требуется взять для анализа, если свинец определяют в виде PbSO4, а масса осадка около 0,5 г?

11. В анализируемой пробе шлака массой 0.2 г содержится примерно 40 % (масс.) СаО. Для точного определения его содержания использован метод гомогенного осаждения кальция щавелевой кислотой, медленно генерирующейся в анализируемом растворе при введении в него этилоксалата: (С2Н5)2С2О4 + 2 Н2О = 2 С2Н5ОН + Н2С2О4 Вычислить, сколько граммов этилоксалата (С2Н5)С2О4 нужно взять для определения содержания кальция по этой схеме с учетом 10 %-ного избытка осадителя. 12. При определении содержания магния в мартеновском основном шлаке навеску анализируемого образца массой 1, 1090 г растворили и осадили магний в виде MgNH4PO4. После прокаливания осадка масса гравиметрической формы Mg2P2O7 оказалась равной 0.2076 г. Вычислить масссу (г) магния в анализируемом растворе и аналитический множитель (фактор пересчета) для этого определения. 13. В растворе хлорида калия осадили хлор в виде AgCl. Масса высушенного осадка оказалась равной 0.1670 г. Вычислить массовое содержание Cl- в анализируемом растворе и аналитический множитель(фактор пересчета) для этого определения. 14. Навеска 0.3978 г фторида лития переведена в раствор. Какой объем раствора хлорида кальция с массовой долей 2.5 % потребуется для осаждения фторид-ионов? 15. Вычислить, какой объем 0,1000 М хлорида бария попотребуется затратить для осаждения серы в виде BaSO4 из навески FeS2 массой примерно 0,5 г ? 16. Проба воздушно-сухого угля содержит примерно 5% (масс.) влаги. Какую навеску угля следует взять для определения влажности методом

25

высушивания, если изменение в массе осадка до и после высушивания должно быть примерно 0,1 г ? 17. Проба Донецкого угля содержит примерно 2% аналитической влаги и 2% (масс.) серы (в пересчете на сухую пробу ). Вычислить навеску воздушно-сухого угля, требуемую для определения в нем содержания серы при использовании в качестве весовой формы сульфата бария, учитывая, что при этом масса прокаленного осадка не должна превышать 0,4 г? 18. Сколько миллилитров 2М раствора хлорида бария потребуется для осаждения сульфата, полученного при обработке 1,000 г твердого топлива, содержащего примерно 4% (масс.) серы ? 00. Из навески угля массой 1,2100 г после соответствующей обработки был получен осадок сульфата бария массой 0,1327 г. Из навески того же образца массой 1,7680 г после высушивания при 105°С было получено 1,7400 г сухой пробы. Вычислить массовую долю серы (%) в исходном образце угля и пересчитать ее на сухое вещество. 1.2. Титриметрический анализ Задача №2 Номер варианта вычислять по сумме двух последних цифр шифра. 1. Определение марганца в черных металлах и сплавах производится персульфатно-серебряным методом. Навеску стали массой 1,0150 г растворили в смеси кислот; при этот марганец окислился до Mn2+. Затем с помощью надсернокислого аммония в присутствии катализатора нитрата серебра Mn2+ окислили до MnO4-. После охлаждения полученный раствор оттитровали 20,5 мл раствора мышьяковистокислого натрия NaAsO2 до перехода малиновой окраски раствора в зеленую. Титр рабочего раствора по марганцу T(NaAsO2/Mn) = 0,000168 г/мл. Рассчитать массовую долю (%) марганца в стали и записать все реакции, протекающие в растворе при этом определении. 2. Навеска руды массой 0,2133 г, содержащей железо, растворена в соляной кислоте. Железо восстановлено до Fe2+ и затем оттитровано 17,2 мл раствора KMnO4 c концентрацией с(1/5 KMnO4) = 0,1117 моль/л. Вычислить массовую долю железа в руде (%) и записать все реакции, протекающие при этом определении. 3. Для определения концентрации рабочего раствора иода навеску стандартного образца сплава массой 2,0140 г, содержащего 0,06% серы, сожгли в токе кислорода. На титрование раствора, полученного после поглощения SO2, израсходовали 7,4 мл раствора иода. Вычислить титр рабочего раствора иода по сере и записать реакции, протекающие при этом определении.

26

4. Для определения серы навеску сплава ферровольфрама массой 1,2130 г сожгли в токе кислорода. На титрование раствора после поглощения SO2 израсходовали 8,1 мл раствора иода с титром по сере T(J2/S) = 0,00021 г/мл. Рассчитать массовую долю серы (%) в сплаве и записать реакции, протекающие при определении. 5. Для определения концентрации рабочего раствора арсенита натрия Na3AsO3 взяли навеску стандартного образца стали массой 1,2860 г, содержащей 1,22 % (масс.) марганца. После соответствующей обработки на титрование полученной марганцевой кислоты HMnO4 было израсходовано 22,4 мл рабочего раствора. Рассчитать титр раствора арсенита по марганцу. 6. Какой объем перманганата калия KMnO4 достаточен для окисления железа в виде Fe2+ из навески руды массой 0,40 г, содержащей около 50% (масс.) железа? Концентрация рабочего раствора c(1/5 KMnO4) = 0,1 моль/л. 7. Рассчитать массовую долю меди (%) в руде по следующим данным: из навески руды массой 0,5100 г медь после ряда операций была переведена в раствор в виде Cu2+; при добавлении к этому раствору иодида калия выделился иод, на титрование которого пошло 14,10 мл тиосульфата натрия, имеющего титр по меди Т(Na2S2O3/Cu) = 0,0065 г/мл. 8. Какую навеску руды, содержащей примерно 70% (масс.) Fe2O3 надо взять для анализа, чтобы после соответствующей ее обработки на титрование шло 20 - 30 мл раствора KMnO4 с концентрацией с(1/5 KMnO4) = 0,1 моль/л. 9. Для определения содержания хрома навеску феррохрома массой 0,2 г путем ряда операций перевели в раствор, окислили хром до дихромат-иона Cr2O72- надсернокислым аммонием (NH4)2S2O8 в присутствии катализатора азотнокислого серебра. Для восстановления дихромат-иона до Cr3+ использовали раствор двойной соли сернокислого железа (II) и аммония в присутствии индикатора фенилантраниловой кислоты. На титрование пошло 30,5 мл рабочего раствора с титром по хрому Т(NH4)2SO4 7 FeSO4/Cr) = 0,004013 г/мл. Вычислить массовую долю хрома в образце и записать реакции, протекающие при титровании. 10. Для определения содержания свинца в руде взята навеска руды массой 5,000 г. После растворения ее в кислоте ион Pb2+ осажден в виде PbCrO4, осадок отфильтрован, промыт и растворен в смеси HCl и KJ. Выделенный при этой реакции иод оттитрован 42,0 мл раствора тиосульфата натрия с концентрацией c(Na2S2O3) = 0,5000 моль/л. Записать уравнения реакций, протекающих при определении, рассчитать эквивалентную массу свинца, используя закон эквивалентов, и титр тиосульфата по свинцу T(Na2S2O3/Pb). Вычислить массовую долю свинца в руде.

11. При определении содержания серы в угле навеску воздушносухой пробы массой 0,2750 г сожгли в токе кислорода и выделившийся газ пропустили через раствор перекиси водорода. Образовавшуюся серную кислоту оттитровали 12,6 мл раствора едкого натра с концентрацией T(NaOH/S) = 0,0001446 г/мл . Вычислить

27

массовую долю серы (%) в воздушно-сухой пробе . 12. Определение кальция в приготовленном растворе мартеновского шлака проводили перманганатометрическим методом. Для этого растворили навеску образца массой 1,050 г и приготовленный для анализа раствор перенесли в мерную колбу вместимостью 250 мл. Аликвотную часть 5 мл разбавили водой и добавили 10 мл раствора щавелевой кислоты с концентрацией с(1/2Н2С2O4)=0.1016 моль/л, избыток которой оттитровали 5.20 мл раствора перманганата калия с концентрацией с(1/5KMnO4)=0.1022 моль/л. Вычислить массовую долю (%) кальция в анализируемом образце шлака. 13. К 10 мл раствора, содержащего кальций, добавили 10 мл раствора Н2С2O4, избыток которого оттитровали 4.25 мл раствора перманганата калия с концентрацией с(1/5KMnO4)=0.1040 моль/л. На 1 мл раствора Н2С2O4 при титровании расходуется 1.02 мл раствора KMnO4. Определить массовую долю (%) кальция в анализируемом растворе. 14. В растворе, содержащем свинец, магний и цинк, определяли их содержание методом комплексометрического титрования. Цинк и свинец имеют близкие значения констант устойчивости комплексов с ЭДТА, прочность магниевого комплекса значительно ниже. Все три элемента определяли из одной пробы. С этой целью навеску образца массой 0.4080 г растворили и замаскировали цинк действием цианид-ионов согласно уравнению: Zn2+ + 4 СN-

= [ Zn(CN)4 ]2-.

На титрование свинца и магния израсходовали 42.4 мл 0.0206 М рабочего раствора ЭДТА. Затем в этом же растворе свинец замаскировали в комплекс с помощью 2,3-димеркаптопропанола, а выделившуюся при этом ЭДТА оттитровали стандартным раствором магния. На титрование пошло 19.3 мл 0.00765 М раствора магния. Затем демаскировали цинк, использовав для разрушения его цианидного комплекса формальдегид: [ Zn(CN)4]2- + 4 HCOH + 4 H2O = Zn2+ + 4 HOCH2CN + 4 OH- . Выделившийся цинк оттитровали раствором ЭДТА, израсходовав 28.6 мл 0.0206 М раствора. Вычислить массовую долю (%) всех трех элементов в анализированной пробе. 15. Из навески руды массой 0.5100 г медь после ряда операций была переведена в раствор в виде Cu2+. При добавлении к этому раствору иодида калия выделился иод, на титрование которого пошло 14.10 мл тиосуль-

28

фата натрия, имеющего титр по меди Т(Na2S2O3/Cu)=0.0065 г/мл. Рассчитать массовую долю меди (%) в анализируемой руде. 16. Для определения содержания алюминия к анализируемому раствору добавили 25.0 мл 0.040 М раствора ЭДТА. На титрование избытка ЭДТА было израсходовано 5.00 мл 0.035 М раствора ZnSO4. Вычислить массу (г) алюминия в анализируемом растворе. 17. Анализируемый раствор содержит железо двух степеней окисления: железо(II) и железо (III). Поскольку констаны устойчивости их комплексов с ЭДТА резко отличаются друг от друга, то возможно их раздельное определение с помощью регулирования рН анализируемого раствора. На титрование 50.0 мл исследуемого раствора при рН=2 израсходовано 13.7 мл 0.0120 М раствора ЭДТА, а при рН=6 – 29.6 мл. Выразить концентрацию каждого из растворенных ионов в мг/мл. 18. При определении общей жесткости воды использовали комплексонометрическое титрование. На титрование 100 мл пробы анализируемой воды израсходовано 5,20 мл 0.0200 М раствора ЭДТА. Вычислить жесткость воды по содержанию карбоната кальция (мг/л). 00. На титрование 100 мл воды израсходовано 10,50 мл 0.01800М раствора ЭДТА. Выразить жесткость воды в граммах СаО на 1 л воды.

2. ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА 2.1. Оптические методы анализа 2.1.1. Молекулярно-абсорбционная спектроскопия (фотоэлектроколориметрия). Использование метода калибровочного графика при элементном количественном анализе в фотометрии Задача № 3 На основании данных, приведенных в таблице 1, определите содержание заданных элементов в исследуемых объектах, используя метод калибровочного графика. Номер варианта соответствует последней цифре шифра студента.

Таблица 1 Характеристика исследуемых образцов Оптическая плотность N ва р и а н та

Определяемый элемент

1

2 Fe

1

Метод определения

Концентрации

Объем стандартных растворов

1 мл

2 мл

3 мл

4 мл

5 мл

6 мл

7 мл

8 мл

9 мл

10мл

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

0.09

0.178

0.268

0.356

0.445

3 с сульфосалициловой кислотой

Исследуемый раствор

Станда рт-ный раствор мкг/мл

14

15

0.244

79.3

Исследуемый раствор, аликвотная часть во всех случаях равна 10 мл

16 Fe (%) в карбиде хрома при навеске 0,0400 г в 250 мл раствора

Продолжение табл.1 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2

Cr

с дифенилкарбазидом

0.106

0.196

0.285

0.374

0.464

3

Mn

по собственной окраске

0.055

0.090

0.120

0.150

0.180

0.210

0.240

0.270

Mo

роданидный

0.07

0.102

0.136

0.170

0.204

0.237

0.271

0.305

13

14

15

0.354

10.25

16 Cr2O3 (в %) в боксите при навеске 0.1556 г в 100 см3 раствора

0.300

0.250

25.62

Mn (в%) в руде при навеске 0,1400 г в 250 мл раствора

0.340

0.310

7.2

Мо (%) в стали при навеске 0,1120 г в 250 мл раствора

30 1

2

5

W

6

Ni

7

Cu

8

Р

9

0

3 роданидный

4

5

6

7

8

9

10

11

0.12

0.180

0.232

0.290

0.345

0.400

0.459

0.516

с диметилглиоксимом

0.07

0.132

0.190

0.257

0.320

0.382

0.447

в виде синего аммиачного комплекса в виде фосфорномолибденовой гетерополикислоты

0.06

0.105

0.150

0.195

0.242

0.290

0.335

0,18

0,26

0,34

0.42

0,5.0

Fe

с ортофенантролином

0.065

0.135

0.205

0.260

0.322

0.450

Sb

экстракционнофотометрическое с бриллиантовым зеленым

0.084

0.170

0.250

0.370

0.422

0.380

12

0.427

13

0.470

14

15

0.390

68.0

16 W (%) в руде при навеске 1,5776 г в 100 мл раствора

0.365

10.0

Ni в стали при навеске 1,4250 г в 250 мл раствора

0.175

36

Си (%) в ферромолибдене при навеске 3,1580 г в 250 мл раствора

0.23

10

Р в ферромолибдене при навеске 0,5087 г в 100 мл раствора

0.550

10.0

0.275

5

0,61 0.08

0.460

0.520

0.592

0.640

Fe (%) в титановой руде при навеске 0,3450 г в 500мл раствора Sb (%) в феррохроме при навеске 0,5090 г (для фотометрирования используется экстрагирование сурьмы из всего приготовленного раствора )

31

Задание №4. Эмиссионный спектральный анализ. Метод трех эталонов. Указания к решению. Эмиссионный количественный спектральный анализ проводится на основе предварительно найденной эмпирической зависимости между относительной интенсивностью линий в плазме разряда и концентрацией определяемого элемента в образцах с хорошо известным составом (эталонах). Зависимость эта строится графически и дает градуировочную или аналитическую кривую, связывающую интенсивность I и концентрацию c для каждого конкретного случая. Градуировочные графики могут строиться двумя способами: в координатах I - c и в координатах lg I - lg c. При использовании в качестве источников возбуждения спектра дуги или искры наиболее распространенным является логарифмический вариант. Получение прямолинейной зависимости между lgI и lgc позволяет пользоваться минимальным числом эталонов (обычно тремя - метод трех эталонов). В качестве экспрессного метода используется метод постоянного аналитического графика с использованием контрольных эталонов. В методе трех эталонов калибровочные графики строятся в координатах разность почернений линий гомологической пары DS - логарифм концентрации определяемого элемента lgc. Величина DS вычисляется как разность почернений линий определяемого элемента и элемента сравнения DS = Sопр - Sср. Эталоны и анализируемый образец фотографируются на одной пластинке, поскольку разность почернений зависит от свойств фотопластинки. При анализе большого числа однотипных проб на пластинке можно расположить до 50 - 60 снимков, уменьшив высоту спектра до 1 мм с помощью диафрагмы перед щелью спектрометра. Задача №4. Определить массовую долю меди в алюминии, серебра в меди, сурьмы в свинце, марганца в стали по значениям почернений линий аналитической пары элементов (табл.3). Данные для эталонных образцов приведены в таблице 4.

32

Таблица 3 Результаты фотометрирования Варианты и исходные данные Параметры 1 0,41 S (Cu) 0,35 S (Al)

2 0,44 0.41

3 0,56 0,42

S (Ag) S (Cu)

4

5

6

0,51 0,65

0,47 0,65

0,64 0,67

S (Sb) S (Pb)

7

8

1,02 1,64

0,95 1,69

S (Mn) S (Fe)

9

0

0,91 0,73

0,63 0,76

Таблица 4 Характеристики эталонных образцов Параметры

Э т а л о н ы

Парамет ры

Э т а л о н ы

1 2 3 1 2 * c(Сu) 0,25 0,12 0,80 0,38 1,20 c(Sb) S(Cu) S(Sb) 0,25 0,79 0,54 1,20 0,61 S(Al) S(Pb) 0,42 1,58 0,44 1,55 0,41 * * c(Ag) 0,23 0,34 0,55 c(Mn) 0,05 0,21 S(Ag) 0,45 0,54 0,68 S(Mn) 0,53 0,90 S(Cu) 0,65 0,64 0,67 S(Fe) 0,72 0,74 * Концентрация элемента выражена в массовых долях (%) *

3 0,80 1,65 1,59 0,30 1,03 0,78

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Задача 5 Вариант задачи 5 выбирается в соответствии с суммой двух последних цифр шифра студента.

1. Навеску сплава массой 0,6578 г растворили и через полученный раствор в течение 20 минут пропускали ток силой 0,20 А , в результате чего на

33

катоде выделилась медь. Определить массовую долю (%) меди в сплаве, если выход по току составлял 80 % . 2. Из анализируемого раствора, содержащего ионы металла Ме(+3), в результате электролиза при силе тока 1 А за 50 минут было выделено на катоде 0,2800 г металла . Определить, какой металл выделился на катоде.

3. Навеску сплава массой 2,1574 г растворили и после соответствующей обработки довели объем раствора до 100 мл. Определить массовую долю( %) серебра в сплаве, если при потенциометрическом титровании 25 мл приготовленного раствора раствором хлористого натрия с концентрацией С(NaCl)=0,1250 моль/л получили следующие результаты: V (NaCl), мл Е , мВ

16,0 689

18,0 670

19,0 652

19,5 634

19,9 594

20,0 518

20,1 441

20,5 401

21 383

Указания к решению задачи 4-3. Кривую потенциометрического титрования построить в координатах E-V и DE/DV-V.

4. Из навески сплава массой 2,0400 г таллий перевели в Tl(1) и оттитровали раствором KBrO3 с концентрацией C(1/6 KBrO3) =0,1000 моль/л в хлороводородной среде. В процессе титрования в растворе протекает реакция BrO3- + 3 Tl+ + 6H+ = Br- + 3Tl3+ + 3H2 O Вычислить массовую долю (% ) таллия в сплаве по следующим результатам потенциометрического титрования: V (KBrO3l), мл Е , мВ

2,0

10,0

18,0

19,8

1251

1280

1309

1339

20,0 1407

20,2 1430

22,0 1451

Указания к решению задачи 4-4.Кривую потенциометрического титрования построить в координатах E-V и DE/DV-V.

34

5. Из навески сплава массой 0,6000 г титан перевели в TiO2+ и оттитровали раствором хлористого хрома с концентрацией C(CrCl2 ) = 0,1000 моль/л: TiO2+ + Cr2+ + 2H+ = Ti3+ + Cr3+ +H2 O Вычислить массовую долю (% ) таллия в сплаве по следующим результатам потенциометрического титрования: V (CrCl2), мл Е, мВ

2,0

10,0

18,0

19,8

159

100

41

- 18

20,0 - 155

20,2

22,0

- 292

- 351

Указания к решению задачи 4-5. Кривую потенциометрического титрования построить в координатах E-V и DE/DV - V.

6. Для определения содержания примеси свинца в металлическом алюминии навеску последнего массой 5,1340 г растворили, перенесли в мерную колбу на 50 мл и раствор довели до метки водой. При снятии полярограммы высота волны оказалась равной h=9 мм.При полярографировании стандартных растворов соли свинца получили следующие результаты: С(Pb) ⋅ 106, г/мл h , мм

0,5 4,0

1,0 8,0

1,5 12,0

2,0 16,0

2,5 20,0

Построить калибровочный график в координатах h-c и определить массовую долю ( % ) свинца в металлическом алюминии.

7. Навеску стали, содержащей медь, массой 0,2000 г растворили в азотной кислоте и объем полученного раствора довели водой до 50 мл . При полярографировании 5 мл раствора в 20 мл фона высота волны h = 37 мм. При полярографировании 25 мл эталонного раствора, содержащего 3 ⋅10-5 г меди, высота волны оказалась равной h= 30 мм. Определить массовую долю меди (%) в стали. 8. Для определения содержания свинца в цинковой руде методом добавок навеску руды массой 1,0000 г растворили и после соответствующей обработки объем раствора довели до 200 мл. Для снятия полярограммы взяли 20 мл этого раствора. Высота волны оказалась равной h = 25 мм . После прибавления в раствор 0,004 г свинца высота волны увеличилась до 35 мм. Определить массовую долю свинца в анализируемой руде.

35

9. Навеску минерала массой 0,5650 г, содержащего титан, растворили и после соответствующей обработки разбавили водой до 200 мл. При полярографировании 10 мл раствора, содержащего Ti(IV), высота волны оказалась равной 55 мм. После прибавления 0,25 мл раствора TiCl4 с концентрацией 0,0000350 г/мл высота волны увеличилась до 63,5 мм.Определить массовую долю (%) ТiО2 в минерале. 10. Определить концентрацию свинца (мг/л), если при амперометрическом титровании 10,0 мл анализируемого раствора рабочим раствором сульфата натрия с титром по свинцу, равным T(Na2SO4 /Pb) = 0,00640 г/мл, получили следующие данные: V (Na2 SO4), мл Диффузионный ток , мкА

0 215

0,5 163

1,0 113

1,5 60

2,0 40

2,5 39

Указания к решению задачи 4-0. Титр рабочего раствора по определяемому веществу показывает количество граммов определяемого вещества(свинца), эквивалентное в данной реакции 1 мл рабочего раствора (сульфата натрия).

11. Вычислить электродный потенциал медного электрода, опущенного в раствор его соли с концентрацией меди с(Cu2+) = 0,1 моль/л. 12. Вычислить концентрацию меди в растворе CuSO4, при условии, что электродный потенциал меди в нем равен нулю. 13. Какое время необходимо для полного выделения кадмия из 20 мл сульфата кадмия с концентрацией раствора c( 1/2CdSO4), если сила тока равна 0,1 А, а выход по току составляет 90% ? 14. На кулонометрическое титрование церия (IV) в 0,1 М растворе Fe(III) электрогенерируемыми ионами Fe(II) при силе тока 30 мА потребовалось 100 с. Определите массу церия (IV) в анализируемом растворе. 15. Рассчитайте потенциал платинового электрода, опущенного в раствор FeSO4 , который на 99,9 % оттитрован раствором KMnO4 16. Для определения примеси железа в алюминии использовали метод кулонометрического титрования ионов Fe3+ электровосстанавливаемыми ионами Sn2+ при постоянной силе тока 4 мА. Точка эквивалентности фиксировалась потенциометрическим методом. Время электролиза составило 100 с. Навеска алюминия 1, 0005 г. Вычислить массовую долю железа (%) в алюминии. 17. Концентрацию кадмия в растворе определяли полярографически методом добавок. Для анализируемого раствора объемом 15 мл высота полярографической волны оказалась равной 25 мм. После добавления в

36

анализируемый раствор 1мл стандартного раствора хлорида кадмия с концентрацией 0,105 моль/л высота волны увеличилась до 30 мм. Вычислить концентрацию кадмия в растворе в моль/л. 18. Для определения содержания меди в стали навеску стали массой 0,1985 г растворили в азотной кислоте , перенесли полученный раствор в мерную колбу вместимостью 50 мл и довели до метки водой. При полярографировании 5 мл полученного раствора в 20 мл фона высота полярографической волны равна 35 мм. При полярографировании 25 мл эталонного раствора, содержащего 3•10-5 г меди, высота волны оказалась равной 29 мм. Определить массовую долю меди (%) в стали. 00. Для определения примеси алюминия в сурьме использовали метод кулонометрического титрования с биамперометрической фиксацией точки эквивалентности. Для этого навеску сурьмы массой 0,7050 г перевели в раствор и выделили из него примесь алюминия в виде оксихинолята. Осадок очистили, растворили в соляной кислоте и провели кулонометрическое титрование выделившегося 8-оксихинолина бромом, генерируемом в ходе электролиза из бромида калия при постоянной силе тока 8,2 мА. Титрование проводилось в течение 130 с. Навеска сурьмы равна 0,6235 г. Вычислить массовую долю алюминия (%) в анализируемом образце сурьмы, если число электронов , участвующих в электрохимическом превращении в расчете на один атом алюминия, равно 12. Задание 1. Кулонометрия. Использование кулонометрических анализаторов в аналитическом контроле металлургического производства Нарисовать принципиальную схему кулонометрического анализатора на углерод. Записать реакции, протекающие в ходе определения углерода. Привести формулу, лежащую в основе расчета массовой доли углерода в сплаве. Объяснить, как подбираются стандартные образцы для калибровки анализатора. Задание 2. Эмиссионная спектроскопия Нарисовать оптическую схему квантометра и объяснить, как используются эти приборы для анализа сталей и сплавов. Задание 3 Методы анализа неметаллических включений Перечислите, на какие группы делятся неметаллические включения в зависимости от химического состава.(с.135)

37

Перечислите методы, используемые для определения состава и структуры неметаллических включений.(с. 183) Приведите принципиальные схемы лазерного микрозонда (микроспектральный метод) рентгеновского микрозонда (микрорентгеноспектральный метод) и охарактеризуйте возможности этих методов для анализа неметаллических включений. (171...176).