Химический анализ чугуна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Экспериментальная часть

2.1 План-схема анализа

 

 

 

2.2 Качественный анализ

  Определение типа сплава на основании реакций, характерных для основного элемента сплава, показало, что анализируемый объект - сплав железа.

Таблица 1. Определение типа сплава.

Исследуемый объект	Реагент	Наблюдения	Вывод
Часть исходного образца	NaOH (30%)	Выделения газа не происходило.	Анализируемый объект не является сплавом на основе алюминия.
Часть исходного образца	Р-р Fe2(SO4)3 (3%)	Выделения газа и образования бурого осадка не наблюдалось.	Образец не является сплавом магния.
Часть исходного образца	HNO3(конц) При нагревании	Появления синей окраски раствора или образования белого осадка не произошло.	Анализируемый объект не является сплавом меди.
Часть исходного образца	НСl(конц) при нагревании, 6М HNO3, р-p NH4NCS (10%)	Наблюдалось появление кроваво- красной окраски.	Анализируемый сплав представляет собой сплав железа.

 

После этого начали проводить качественный анализ образца сплава

Таблица 2. Качественный анализ.

Исследуемый объект	Реагент	Наблюдения	Вывод	Состав фазы после разделения
				Осадок	Раствор
Часть исходного образца	H2SO4(1:5), t	Часть образца растворяется, остается черный осадок	В состав осадка входят неметаллы, возможно C, Si, P; осадок далее не анализируется	Осадок 1   C, Si, P, S	Раствор 1  Fe(II,III), Mn(II), Ti(IV), Ni(II), Cu(II), Cr(III,VI), Al(III), Mo(VI), V(V), Co(II), W(VI)
Раствор 1	HNO3(конц), t	Получен прозрачный раствор 2 без осадка	Отсутствует  W		Раствор 2  Fe(III), Mn(II), Ti(IV), Ni(II), Cu(II), Cr(III), Al(III), Mo(VI), V(V), Co(II)
Раствор 2	Na2S (среда кислая), t	Получен прозрачный раствор 3 без черного осадка	В сплаве отсутствуют  Mo и Cu		Раствор 3  Fe(III), Mn(II), Ti(IV), Ni(II), Cr(III), Al(III), V(V), Co(II)
Раствор 3	избыток 30% NaOH	Образуется красно-коричневый осадок 3 и раствор 4		Осадок 3 Fe2O3∙H2O, MnO(OH)2, Ti(OH)4, Ni(OH)2, Co(OH)2	Раствор 4 VO3-, Al(OH)4-, CrO42-
Раствор 4	4М HCl, 3% H2O2	Темно-красное окрашивание не появляется	В сплаве не содержится V
Раствор 4	NH4Cl (тв), t	Белый осадок не выделяется	Al в сплаве отсутствует
Раствор 4	3%-ный Н2О2, H2SO4(1:4), эфир	Окрашивание эфирного слоя в синий цвет  не наблюдается	В сплаве не содержится Cr
Осадок 3	4М раствор H2SO4	Осадок растворяется			Раствор 5  Fe(III), Mn(II), Ti(IV), Ni(II), Co(II)
Раствор 5	1% этанольный раствор диметил-глиоксима, 2М NH3	Образование красного осадка не происходит	В образце отсутствует  Ni
Раствор 5	HNO3 (конц), NaBiO3(тв)	Происходит изменение окраски раствора в      малиновую	В сплаве содержится Mn
Раствор 5	NH4NCS(тв), NaF(тв), изоамиловый спирт	Не наблюдается окрашивание изоамилового спирта в синий цвет	Co в образце отсутствует
Раствор 5	H3PO4, 1M H2SO4, 3% H2O2	Не наблюдается желтого окрашивания раствора	В сплаве Ti не содержится

 

Результаты качественного анализа позволяют сделать вывод, что анализируемый сплав на основе железа содержит марганец в качестве примесей. Присутствие C, Si, S и P мы рассмотрим в разделе количественный анализ.

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Количественный анализ

Титриметрическое определение железа.

  Реагенты: 0.05 н. раствор полученный растворением точно взвешенной навески дважды перекристаллизованного дихромата калия;

HCl, пл. 1.19; 4М и 0.05 М растворы;

H2SO4, пл. 1.84

H3PO4, пл. 1.70

HNO3, пл. 1.40

Zn, металлический;

  Расчет массы навески: требуется, чтобы на титрование аликвоты исследуемого раствора пошло около 10 мл титранта. В этом случае концентрация титруемого раствора железа должна составить (учитывая, что фактор эквивалентности железа для протекающих реакций равен единице):

CFe= (0.05*10)/(10*1) = 0.05 М

  Отсюда, предполагая, что содержание железа в стали, как основного компонента будет составлять величину порядка 90% от общей массы навески находится масса навески:

m(навески)=(0.05*0,1*56)/0.90=0.3111г. 
 Реальная масса навески образца стали, взятая для титриметрического определение железа, составила  
m(навески)=0.3010г. 
 Точную навеску анализируемого материала поместили в высокий стакан ёмкостью 300 мл, прибавили 40 мл 4М HCl, закрыли часовым стеклом и растворяли при нагревании на песочный бане. Затем добавили HNO3 и нагревают далее. 
 Раствор выпаривали досуха. Остаток обработали 10 мл HCl (пл.1.19). 
Операцию выпаривания с HCl повторяли два раза, после чего добавили 4 мл HCl (пл.1.19) и разбавили горячей водой примерно до 50 мл. Затем раствор отфильтровали от нерастворившегося осадка через фильтр (белая лента) в мерную колбу ёмкостью 100 мл. Фильтр хорошо промыли горячей 0.05M HCl, охладили, довели до метки перемешивали. Фильтр с осадком не выбросили.  Пипеткой отобрали аликвоту 10 мл исследуемого раствора, перенесли в коническую колбу ёмкостью 100 мл, добавили 5 мл HCl (пл.1.19). Колбу закрыли маленькой воронкой, внесли 3-4 гранулы металлического цинка нагрели на песочной бане до растворения цинка. Колбу охладили струей воды под краном, добавили 3-4 мл H2SO4вторично охладили, добавили 5 мл H3PO4, 15 мл воды, 2 капли дифениламина, и раствор медленно титровали раствором дихромата калия до появления сине-фиолетовой окраски раствора.

 

 

 Объем раствора дихромата калия, пошедшего на титрование составил:

 V1= 9.23 мл 
V2= 9.28 мл 
V3=9.20 мл 
<V>=9.24 мл

  Содержание железа в анализируемом образце, исходя из результатов титрования, может быть вычислено следующим образом: 
                            wFe = [С * V * Vk* M(Fe) ]/[1000*Va*m(навески)]

Где С – концентрация титранта, н; V – объем титранта, пошедшего на титрование, мл;

Vk – объем мерной колбы, мл; М (Fe) – молярная масса железа, г/моль; Va– объем аликвоты,мл. 
Исходя из полученных результатов, содержание железа в образце составило: 
                            wFe=[0.05*9.24*100*56]/[1000*10*0.301]=0.8595 или 85.95% 
Повторили эксперимент еще 5 раз, на выходе получили результаты: 
1)85.95% 
2)85.91% 
3)85.93% 
4)85.91% 
5)85.90% 
6)85.92%

 
Вывод: в данном сплаве чугуна 85.92% железа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Титриметрическое определение марганца.

  Титриметрическое определение марганца проводилось персульфатным методом. Этот метод основан на окислении марганца персульфатом аммония в присутствии катализаторов до высшей степени окисления согласно уравнению:

2Mn+2 + 5S2O82- + 8H2O = 2MnO4- + 10SO42- + 16H+

  Избыток персульфата разрушили кипячением. Реакции окисления персульфатом мешают хлорид – ионы, поэтому навеску сплава растворяли в разбавленном (20%) растворе серной кислоты.

1. Растворение навески. Навеску чугуна перенесли в жаростойкий стакан емкостью 250-300 мл, прибавили 20 мл воды и 20 мл 2н раствора серной кислоты, накрыли стакан часовым стеклом и нагрели до полного растворения навески. После чего раствор упаривали до небольшого объема. Раствор фильтровали в колбу емкостью 200 мл, промыли осадок на фильтре. Довели до метки.
2. Окисление марганца. Аликвотную часть 10 мл раствора пипеткой перенесли в коническую колбу 100 мл, прибавили 20 мл 2М серной кислоты, 1,5 мл конц. Фосфорной кислоты, 20 мл воды, 1-2 мл раствора AgNO3 и 1 – 2 г персульфата аммония. Раствор нагрели до полного разрушения избытка персульфата.
3. Определение марганца. К охлажденному раствору добавили 4 мл конц. Серной кислоты, 5 мл конц. H3PO4 и титровали раствором соли Мора до исчезновения малиновой окраски.

 

Расчет массы навески. 
 Для приготовления 100 мл 0.05 н раствора перманганат – иона (исходя из 10% - ного содержания марганца в сплаве) нужно 
m(сплава) = С (MnO4-* fэкв*М(Mn)*V/w(Mn) = 0.05*(1/5)*55*0.1/0.1 = 0.55 г

Масса навески сплава: 0.51 г

С (соль Мора) = 0.17622 н.

 
Объем раствора соли Мора пошедший на титрование аликвоты 10 мл: 
V1=1.8мл 
V2=1.7мл 
V3=1.6мл 
<V>= 1.7мл

Тогда 
wMn= [0.17622*1.7*(1/5)*55*100 ]/[1000*10*0.51]=0.0646 или 6.46%

Повторили эксперимент еще 5 раз, на выходе получили результат.

 

Вывод: в данном сплаве чугуна 6.417% марганца.

 

 

 

 

 

 

 

Определение углерода.

  С учетом того, что титранта должно уйти примерно 20 мл, и зная, что углерода в сплаве примерное 4%, рассчитываем минимальную навеску: 
a =[(0.5*0.03) – (1*0.02/2)] * 12 * 100% / 4% = 1.5 г

  Для определения «общего» углерода навеску чугуна в 1.7 г сожгли в нагревательных трубчатых печах в атмосфере кислорода при 1100-1250 градусов по Цельсию. В результате весь углерод независимо от состояния окисляется до СО2.

  Далее анализ будем вести по Объемному (баритовому) методу.  
Образующийся углекислый газ поглощали избытком (30 мл) титрованного раствора едкого барита Ва(ОН)2 с концентрацией 0.5М, вследствие чего образуется осадок углекислого бария:  
СО2+Ва(ОН)2=ВаСО3+Н2О  
 Избыток раствора едкого барита оттитровали раствором соляной кислоты(С=1моль/л) по фенолфталеину, служащем в качеств индикатора. 
Ba(OH)2+2HCl=BaCl2+2H2O 
 Присутствующий при этом в растворе осадок углекислого бария не вступает в реакцию с кислотой, так как титрование с фенолфталеином заканчивается при рН = 9.

 
Повторили эксперимент 3 раза. 
 
Получили объемы кислоты:

 V1=18.9мл 
V2=18.8мл 
V3=18.8мл 
<V>=18.85мл

Тогда wС=[0.5*0.03-(1*0.01885/2)]*12/1.5=0,0446 или 4.46% 
 
Вывод: в данном сплаве чугуна 4.46 % углерода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение серы.

  С учетом того, что объем титранта должен быть равен примерно 20 мл,а примесей серы примерно 1% минимальная навеска будет равна: 
a = 0.1*0.02*32*100% / 1%=6.4 г.

 
  Для определения серы в данном образце, сожгли в атмосфере кислорода 6.5 г навески сплава при температуре около 1400 градусов по Цельсию. Образовавшийся SO2 поглощаем 25 мл водой с одновременным окислением йодом. 
SO2 + H2O = H2SO3

  При одновременном титровании раствором йода (0.1М по ст.) эта кислота окисляется в серную кислоту в процессе самого поглощения SO2 водой. Индикатором служит крахмал.

H2SO3 + I2 + H2O = H2SO4 + 2HI

Повторили эксперимент 3 раза. 
 На основании количества  раствора йода, пошедшего на это титрование, вычисляем содержание серы в анализируемом образце чугуна. 
 
Получили объемы йода:

 V1=20.9мл 
V2=21мл 
V3=21мл 
<V>=20.95мл

 

Тогда wS=0.1*0.02095*32/6.5=0.01031 или 1.031% 
 
Вывод: в данном сплаве чугуна 1.031% серы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение фосфора.

Минимальную навеску рассчитываем по стандартной для гравиметрии формуле: 
                                                    г.

Взяли навеску образца в 10 г и перевели фосфор в фосфорную кислоту добавляя избыток азотной разбавленной кислоты. 
6Fе3P + 28HNO3 = ЗР2О5 + 9Fe2O3 + 28NO + 14Н2О

ЗР2О5 + 9Fe2O3 + 54 HNO3 = 6Н3РО4 + 18Fe(NO3)3 + 18Н2О

Просуммировав оба уравнения и разделив на 2, получим 
3Fе3P+4IHNO3=ЗН3РО4+9Fe(NO3)3+14NO+16Н2О 

  Оставшуюся метафосфорную кислоту перевели в ортофосфорную, добавив перманганат калия : 
5Н3РО3+2KMnO4+6HNO3=5Н3РО4+2Mn(NO3)2+2KNO3+ЗН2О 
 Перевели в осажденную форму комплексной соли добавляя избыток молибдоната аммония:

Н3РО4 + 12 (NH4 )2MoO4 + 21HNO3 = (NH4)3PO4  • 12МоО3 • 2Н2О + 21(NH4)NO3 + 10Н2О

  Профильтровали получившийся раствор с осадком. Осадок высушили, прокалили и взвесили. 
 
m((NH4)3PO4•12МоО3)=0.9085г 
 
Тогда wP=(0.9085/1877)*31/10=0.0015 или 0.15% 
 
Вывод: в данном сплаве чугуна 0.15% фосфора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение кремния.

  Определение содержания кремния провели фотоколориметрическим методом определения. 
 Кремневая кислота в кислой среде способна взаимодействовать с молибдатом аммония с образованием окрашенного в желтый цвет соединения:

H4SiO3+12H2MoO4→H8Si(Mo2O7)6+10H2O 
 Кремнемолибдат аммония восстанавливали сульфатом двухвалентного железа до молибденовой сини:

:

  Для построения калибровочной кривой ряд навесок высокой частоты алюминия по 0.5 г поместили в никелевые тигли и ввели туда же различные количества стандартного раствора кремния Б (0.0008 г/мл), оставив одну навеску в качестве холостой пробы. Навески растворили в 10 мл 20%-ного раствора гидроксида натрия сначала на холоду, а затем довели до кипения и кипятили около 5 мин. Тигли сняли, охладили, количественно перенесли их содержимое в стаканы и разбавили водой до 200 мл.  
В мерные колбы емкостью 500 мл вливали 100 мл соляной кислоты (1:1) и приливали туда растворы из стаканов, омывая их дистиллированной водой. Содержимое колб охлаждали, доводили до метки и тщательно перемешивали, после чего отбирали аликвотную часть в 10 мл в мерную колбу на 100 мл и приливали 10 мл молибдата аммония. Спустя 5 минут прилили в колбу 25 мл 5%-ного раствора сульфата двухвалентного железа, довели до метки дистиллированной водой и перемешали содержимое колбы. Измеряли интенсивность окраски в фотоколориметре с использованием красного светофильтра (λ=680 ммк) в кюветах с толщиной слоя 5 мм. Величину светопоглощения раствора измеряли против холостой пробы. По полученным величинам построили калибровочную кривую. 
 Навеску сплава в 0.5 г растворили в 10 мл 20%-ного раствора щелочи в никелевом тигле, покрытом часовым стеклом, сначала на холоду, а затем прокипятили на плите около 10 мин. После охлаждения раствор количественно перенесли в стакан и дальше вели анализ, как указано выше. Содержание кремния нашли по калибровочной кривой. Повторили эксперимент 3 раза, для достоверности результатов. 
Вывод: в данном сплаве чугуна 1.87% кремния.