Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
Кафедра общей и аналитической химии
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ
НИКЕЛЯ В ЧЕРНЫХ СПЛАВАХ
ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Лабораторный практикум предназначен для студентов всех
специальностей
Новокузнецк
2009
УДК:54.061:669.018
О 624
Рецензент
кандидат химических наук, доцент, зав. кафедрой физхимии и ТМП
СибГИУ А.И. Пошевнева
О 624
Определение содержания никеля в черных сплавах фотоколориметрическим методом: Лаб. практикум / Сост.:
О.Р. Глухова, Р.М. Белкина, Н.И. Кувшинникова: СибГИУ – Новокузнецк, 2009. – 10 с.
Рассмотрены теоретические основы молекулярноабсорбционного анализа, дана методика измерения оптической плотности растворов на фотоколориметре
КФК-2МП. Приведена методика определения содержания никеля в черных сплавах и оценка точности полученного результата.
Предназначены для проведения лабораторной работы по «Методам контроля и анализа веществ» со
студентами всех специальностей дневного обучения.
2
Молекулярно-абсорбционный метод анализа
Молекулярно-абсорбционный метод анализа или спектрофотометрия – один из очень распространенных физико-химических
методов анализа.
Химической составляющей этого метода является получение
молекул исследуемого компонента, которые, находясь в растворе,
поглощают свет всем объемом. (Абсорбция – поглощение всем объемом, адсорбция – поглощение поверхностью.)
Физической составляющей спектрофотометрии является
наблюдение спектра поглощения и измерение оптической плотности раствора. Этот метод позволяет проводить как качественный,
так и количественный анализ.
Закон поглощения света
Основным законом спектрофотометрии является закон БугераЛамберта-Беера в его логарифмической форме. Он представляет
связь измеряемой физической характеристики (оптической плотности раствора D) от концентрации. Эту взаимосвязь можно представить в виде линейной зависимости D=KC и использовать расчеты
графически по градуировочному графику в координатах D–С при ελ
и l=const.
I0
Iпр
l
Рисунок 1 – Кювета с раствором
Оптической плотностью раствора называют величину D:
3
D  lg
Iо
,
Iпр
где Iо – интенсивность света, падающего на раствор;
Iпр – интенсивность света, прошедшего через раствор.
D     c  l,
где l – толщина поглощающего раствора см;
с – концентрация поглощающих молекул в растворе, моль/л;
ελ – экстинция или молярный коэффициент поглощения.
D    при l=1 см
c=1 моль/л
ελ зависит от:
а) природы поглощающих молекул;
б) температуры опыта;
в) длины волны () падающего света.
В количественном молекулярно-абсорбционном методе используют сравнительный метод определения количества вещества.
Для этого с помощью стандартных образцов исследуемого материала (стали, чугуна) строят график в координатах D – c (при l и
ελ=const):
D
Dпробы
спробы
сNi, %
Рисунок 2 – Градуировочный график определения концентрации
никеля в стали
По полученному графику находят процентную концентрацию
никеля по измеренному на фотоколориметре значению D для испытуемых образцов.
4
Устройство фотоколориметра
К о л о р и м е т р фотоэлектрический концентрационный КФК2МП предназначен для измерения в отдельных участках диапазона
длин волн 315......980 нм, выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности жидкостных растворов
и прозрачных твердых тел, а также измерения концентрации веществ в растворах после предварительного построения градуировочной характеристики.
1 – колориметрический блок
2 – вычислительный блок
3 – маховик для замены фотоприемника
4 – рычаг перевода кювет
5 – крышка кюветного отделения
6 – маховик для замены светофильтра
Рисунок 3 – Фотоколориметр
Фотоколориметр состоит из колориметрического 1 и вычислительного 2 блоков (рисунок 3).
5
Подготовка к работе
Подсоединить фотоколориметр к сети 220 В, открыть крышку
кюветного отделения (5) и включить тумблер «Сеть», при этом
должна загореться сигнальная лампа.
Нажать клавишу «Пуск» — на цифровом табло появляется
мигающая запятая и горит индикатор «Р». Если запятая не появилась – повторно нажать клавишу «Пуск».
Выдержать колориметр во включенном состоянии в течении
15 минут при открытой крышке кюветного отделения, затем не менее 5 минут при закрытой.
Порядок работы на фотоколориметре КФК-2МП
1. Открыть крышку кюветного отделения (5). В него установить кюветы с холостым раствором (раствором сравнения) и исследуемым раствором (рабочим раствором – для исключения поглощения всеми реактивами кроме молекул исследуемого вещества) (рисунок 4).
Р
Х
Х – холостой раствор
Р – рабочий раствор (исследуемый раствор)
Рисунок 4 – Расположение кювет в кюветном отделении
фотоколориметра
2. Установить необходимый светофильтр и нужный фотоприемник (сине-зеленый λ=490 нм).
3. Рычаг (4) установить в положение «1» (←), см. рисунок 3, (в
световой пучок вводится кювета с растворителем).
4. При открытой крышке кюветного отделения нажать «Ш(0)».
На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается
значение nо (начало измерений), а слева – символ «0».
5. Закрыть крышку кюветного отделения, нажать «К(1)» - появится символ «1».
6. Рычаг (4) установить в положение «2» (→) (в световой пучок вводится кювета с исследуемым раствором).
6
7. Нажать клавишу «Д(5)». На цифровом табло слева от мигающей запятой появляется символ «5», означающий, что произошло
измерение оптической плотности. Отсчет на цифровом табло справа
от мигающей запятой соответствует оптической плотности исследуемого раствора.
Для сброса показаний нужно нажать клавишу «Пуск», появиться мигающая запятая.
При повторении опыта необходимо:
1. Рычаг (4)установить в положение «1» (←).
2. Открыть крышку кюветного отделения.
3. По истечении 5 секунд нажать «Ш(0)». На цифровом табло
справа от мигающей запятой высвечивается значение nо (начало измерений), а слева – символ «0».
4. Закрыть крышку кюветного отделения, нажать «К(1)» – появиться символ «1».
5. Рычаг установить в положение «2» (→).
6. Нажать «Д(5)» – появится результат оптической плотности.
7. Сброс показаний – клавиша «Пуск», появится мигающая запятая.
Опыт повторяют 2-3 раза, используют наибольшее значение
оптической плотности D.
Определение никеля в черных сплавах
Никель в чугуне и стали находится, главным образом, в виде
компонента твердого раствора. При растворении в кислотах он переходит в раствор в виде двухвалентного иона:
Ni + 4HNO3  Ni(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Из существующих способов определения наиболее распространены весовой (для больших количеств) и фотоколориметрический (для малых количеств).
Определение никеля фотоколориметрическим методом
(с диметилглиоксимом в присутствии окислителя)
Сущность метода. Метод основан на том, что ионы двухвалентного никеля, полученные в результате растворения навески
стали в кислоте, образуют с диметилглиоксимом в присутствии
сильных окислителей растворимый комплекс красного цвета – со7
единение никеля с продуктом окисления диметиглиоксима. Реакцию проводят в щелочной среде, поэтому для предупреждения осаждения щелочью гидроксидов железа, марганца алюминия и других
элементов, входящих в состав пробы, прибавляют комплексообразователь – сегнетову соль или винную кислоту, в присутствии которых перечисленные компоненты не осаждаются.
CH3C=NOH
NiCl2+2
+2NH4OH→
CH3C=NOH
CH3C=NOH
ОN=C H3C
→
Ni
+ 2NH4Cl + 2Н2О
CH3C=NO
ОN=C H3C
В связи с тем, что в образовании комплекса участвуют не
прочные продукты взаимодействия, порядок сливания реактивов и
их соотношение имеют существенное значение. Окраска комплекса
развивается через 5-7 минут и устойчива в течение примерно 20
мин, после чего комплекс постепенно разрушается. Интенсивность
окраски полученного комплекса пропорциональна содержанию никеля, поэтому фотометрируя окрашенный раствор, можно определить содержание никеля в анализируемом образце.
Ход анализа. Навеску стали 0,1 г помещают в коническую
колбу на 100 мл и растворяют при нагревании в 10 мл азотной кислоты (1:3), затем разбавляют небольшим количеством воды (5-10
мл). Полученный раствор переводят в мерную колбу на 100 мл,
тщательно ополаскивая колбочку, в которой велось растворение,
небольшими порциями дистиллированной воды (4-5 раз). Доводят
содержимое мерной колбы водой до метки. Если выпадает осадок
графита при растворении, содержимое мерной колбы отфильтровывают. Полученный раствор в мерной колбе тщательно перемешивают.
Подготовка к колориметрированию. Одновременно готовят
два раствора в мерных колбах на 50 мл, один будет называться рабочим, другой – холостым.
Из мерной колбы на 100 мл, отбирают пипеткой аликвотную
часть раствора по 5 мл в две колбы на 50 мл. В каждую прибавляют
10 мл 20% сегнетовой соли, 10 мл 5% раствора щелочи, хорошо
взбалтывают, при этом раствор должен обесцветиться (допускается
слабо-желтая окраска, которая не будет мешать при дальнейшем
колориметрировании). Затем прибавляют 10 мл 3% раствора пер8
сульфата аммония ((NH4)2S2O8), взбалтывают. В одну из колб прибавляют 10 мл щелочного раствора диметиглиоксима (это будет
рабочий раствор). Обе колбы доводят до метки 5% раствором щелочи и тщательно перемешивают. На фотоколориметре измеряют
оптическую плотность раствора D, как указанно в разделе «Порядок
работы на фотоколориметре КФК – 2МП».
Расчет относительной ошибки точности измерения по формуле:
% ошибки 
С ист.  С практ.
С ист.
 100% ,
где Спракт. – содержание никеля в стали, полученное в результате
опыта;
Сист. – истинное содержание никеля в данном для опыта образце.
Техника безопасности
Студент допускается к работе только после собеседования с
преподавателем. Перед лабораторной работой необходимо внимательно изучить правила работы на приборе. При эксплуатации запрещается включать в сеть незаземленные приборы и работать на
неисправных приборах. При работе с агрессивными средами следует соблюдать необходимые меры предосторожности.
9
Учебное издание
Составители:
Глухова Ольга Романовна
Белкина Римма Марковна
Кувшинникова Наталия Игоревна
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ
НИКЕЛЯ В ЧЕРНЫХ СПЛАВАХ
ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Лабораторный практикум предназначен для студентов всех
специальностей
Напечатано в полном соответствии с авторским оригиналом
Подписано в печать
Формат бумаги 60 × 84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Усл. печ. л. . Уч.-изд. л.
. Тираж экз. Заказ 7393678
Сибирский государственный индустриальный университет
654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42
Типография СибГИУ
10