Лабораторная установка для определения массовой доли основного вещества в гидридах и карбидах щелочных металлов

Полезная модель относится к области аналитической химии, а именно к лабораторным установкам для проведения физико-химических методов анализа и предназначена для определения массовой доли основного вещества гидридов и карбидов щелочных металлов.
Известна установка для определения массовой доли основного вещества в гидридах щелочных металлов (ОИ 001.688-2009 ПАО "Новосибирский завод химконцентратов") (Фиг. 1). Способ определения массовой доли основного вещества, определяемый на данной установке, основан на измерении объема выделившегося газа из навески анализируемого вещества при растворении в воде, а количество катионов определяются путем титрования полученного раствора кислотой.
3
3
3
3
3
Установка представляет собой водяной термостат 23 из органического стекла, в который устанавливают прибор для разложения анализируемого продукта. Термометр 2 предназначен для измерения температуры воды в термостате. Вода в термостате перемешивается электромешалкой 5. В термостате расположен измерительный сосуд 11 вместимостью 2-3 дм с меткой 14 и бюретка 16 вместимостью 50-100 см, верхняя граница шкалы которой - метка 15. Нижние концы сосуда 11 с шариками, бюретки 16 и уравнительной трубки 10 соединены с гребенкой 24 резиновыми трубками, снабженными зажимами 17, 18, 22. Посредством крана 7 измерительный сосуд 11 может быть соединен с реакционной колбой 1 для растворения навески, а посредством крана 8 - с атмосферой. Напорный сосуд 9 представляет собой бутыль вместимостью 5-10 дм, которая при помощи пробки со вставленными в нее стеклянными трубками герметично соединяется резиновой трубкой с узлом управления 19, соединенным с вакуумной линией. Узел управления состоит из двух кранов 20 и 21. Один из боковых патрубков каждого крана соединяет напорный сосуд 9 с атмосферой, другой - с вакуумной линией. Кран 20 служит для грубой регулировки давления в напорном сосуде. Кран 21, оба патрубка которого присоединены к капиллярам, служит для тонкой регулировки давления в сосуде 9. Регулируя кранами 20 и 21, давление в напорном сосуде 9 можно опорожнять или наполнять водой измерительный сосуд 11 и бюретку 16. В качестве запирающей жидкости применяют насыщенную водородом дистиллированную воду. Реакционная колба 1 вместимостью 150-250 смслужит для разложения навески продукта. Объем колбы измеряют с погрешностью не более 2 см. Колбу закрывают пробкой с отверстием, в которое вставлена стеклянная воронка 3 с краном. Стакан 6 предназначен для охлаждения колбы 1 во время растворения навески.
Осуществление способа происходит следующим образом.
Подбирают навеску пробы материала, которая по выделяемому объему газа приблизительно соответствует объему измерительной части прибора, и взвешивают с погрешностью не более ±0,0005.
Оптимальную массу навески m в граммах вычисляют по формуле:
,
где М - молекулярная масса вещества, г/ моль;
1
3
V - объем измерительного сосуда 11, см;
2
3
V - объем бюретки 16, см;
3
3
V - объем воды, прибавленный в колбу в процессе растворения навески, см;
Р - атмосферное давление, мм рт.ст.;
в
m
Р - давление насыщенного водяного пара при температуре t, мм рт.ст. (Таблица 3);
m
t - температура воды в термостате,°С.
Навеску переносят в реакционную колбу 1 прибора (Фиг. 1), и по разности в массе, пробирки с навеской и пустой пробирки находят величину навески до четвертого знака после запятой. Колбу быстро закрывают пробкой с воронкой 3, и при закрытых кранах 4, 7, 8 присоединяют к прибору посредством резиновой трубки. Включают мешалку 5. Открывают кран 8, и выдерживают прибор с присоединенной реакционной колбой и открытыми зажимами 17, 18 и 22 в термостате от 3 до 5 минут. В течение этого времени, пользуясь узлом управления 19, совмещают уровень запирающей жидкости в измерительном сосуде с меткой 14, закрывают кран 8, и записывают температуру воды в термостате.
После этого проверяют прибора на герметичность, для этого закрывают зажимы 17 и 22, 18 оставляют открытым. С помощью узла управления 19 в приборе создают разряжение. Когда уровень запирающей жидкости в бюретке 16 достигнет метки 15, кран узла управления закрывают. Герметичность прибора считается достаточной, если в течение 3 минут уровень запирающей жидкости в бюретке остается на метке 15.
После испытания прибора на герметичность закрывают зажим 18, и открывают сначала зажим 22, а затем 17. Реакционную колбу с навеской извлекают из термостата, помещают в стакан 6 с холодной водой, и открывают кран 7.
3
3
В воронку 3 наливают от 30 см до 50 см дистиллированной воды (количество дистиллированной воды зависит от величины навески), отмеренной при помощи бюретки. Затем через кран 4 в воронке, осторожно, сначала по каплям, потом небольшими порциями, прибавляют дистиллированную воду, следя за тем, чтобы очередная порция поступала в колбу после замедления растворения продукта. После прибавления всей дистиллированной воды носик воронки должен быть целиком заполнен водой.
В процессе разложения навески давление в приборе регулируют краном 21 узла управления 19, так чтобы измерительный сосуд освобождался от запирающей жидкости постепенно. В уравнительной трубке 10 уровень запирающей жидкости должен быть ниже уровня ее в измерительном сосуде, но не должен опускаться ниже дна термостата. Когда запирающая жидкость в измерительном сосуде опустится приблизительно до середины нижнего шарика, закрывают зажим 22 и кран 21, а краном 20 соединяют напорный сосуд с атмосферой.
После полного растворения навески продукта реакционную колбу 1 снова переносят в термостат, выдерживают 10-20 минут. Затем закрывают кран 20, открывают зажим 22, и точно совмещают уровень запирающей жидкости с какой-либо из меток 13, заполняя газом один, два или три шарика в зависимости от величины от навески. После этого зажим 22 закрывают.
t
m
Затем открывают зажимы 17 и 18 и, пользуясь узлом управления 19, совмещают уровни запирающей жидкости в бюретке и уравнительной трубке. Суммируя заполненные объемы измерительного сосуда, шариков и бюретки, получают объем газа, выделившегося из навески (V). При этом записывают температуру воды в термостате (t), атмосферное давление (Р) и температуру окружающего воздуха (t).
3
После измерения объема газа отсоединяют реакционную колбу, переносят ее содержимое в мерную колбу вместимостью 250 см, стенки колбы и пробку тщательно промывают дистиллированной водой, собирая ее в ту же колбу. Доводят объем раствора до метки дистиллированной водой и перемешивают.
3
3
Из мерной колбы отбирают пипеткой 25 см раствора в коническую колбу вместимостью 250 см, добавляют 2-3 капли индикатора метилового красного и титруют 0,3 н раствором серной кислоты до изменения желтой окраски раствора в розовую.
Рассчитывают коэффициент F для приведения газа к нормальным условиям:
,
где Р - атмосферное давление (по барометру), мм рт.ст.;
m
t - температура термостата, °С;
в
Р - давление водяного пара при температуре воды t, мм рт.ст.(таблица 3);
Ж - поправка для приведения барометра к 0°С, мм рт.ст.(таблица 4);
П - сумма постоянных поправок, состоящая из поправки на высоту над уровнем моря и широту а также из инструментальной поправки, мм рт. ст.(таблица 5).
Первые две поправки находят по таблицам (таблица 3, 4), инструментальная поправка указана в поверочном свидетельстве барометра.
Инструментальная поправка для барометра-анероида рассчитывается по формуле:
t
k
si
2
3
P=a+b⋅t+c⋅t+d⋅t+K(P-P)-(t-20),
где а=0,18 мм рт.ст.;
b=(-0,009) мм рт.ст./°С;
2
с=(-0,000014) мм рт.ст./°С;
3
d=0,000002 мм рт. ст./°С;
К=0,0003121/°С;
k
P=529 мм рт.ст.;
si
P- значение давления, определенное по барометру, мм рт.ст.;
t - температура окружающей среды, °С.
0
3
Объем выделившегося газа (V), см, приведенный к нормальным условиям, рассчитывают по формуле
0
t
V=F(V-Z+3,5m)-K⋅E,
t
3
где V - объем газа, измеренного на приборе, см;
3
Z- объем прибавленной воды, см;
3.
Е- объем реакционной колбы, см
3
После измерения объема газа отсоединяют реакционную колбу, переносят ее содержимое в мерную колбу вместимостью 250 см, стенки колбы и пробку тщательно промывают дистиллированной водой, собирая ее в ту же колбу. Доводят объем раствора до метки дистиллированной водой и перемешивают.
3
3
Из мерной колбы отбирают пипеткой 25 см раствора в коническую колбу вместимостью 250 см, добавляют 2-3 капли индикатора метилового красного и титруют 0,3 н раствором серной кислоты до изменения желтой окраски раствора в розовую.
Рассчитывают количество основного вещества, моль, в навеске по формуле
,
к
3
где V - объем кислоты, см, пошедший на титрование;
3
с - концентрация кислоты, моль/ дм;
мк
V - объем мерной колбы;
ал
V - объем аликвоты.
Массовую долю основного вещества в процентах вычисляют по формуле:
,
где S - количество основного вещества, моль;
М - молекулярная масса материала, г/моль;
m - масса навески, г.
Недостатками данного способа являются
1) трудоемкость отбора точных навесок;
2) сложность проводимых расчетов с использованием табличных данных (влияние факторов окружающей среды);
3) высокая погрешность измерений, в связи с утечкой и растворением измеряемого газа;
4) присутствие в измерительной системе водяных паров, создающих дополнительное давление, учитываемые в расчетах.
Техническая проблема, решаемая данным техническим решением, заключается в сокращении времени проведения анализа и расчетов, повышение сходимости между параллельными измерениями, снижением погрешности анализа.
Лабораторная установка (Фиг. 2) состоит из измерительного сосуда известной вместимости с двумя отростками (6), на верхнем отростке установлен высокоточный манометрический датчик абсолютного давления (1), к нижнему концу - форвакуумный насос (9). Измерительная система дополнена системой разложения материала. Система разложения состоит из колбы для разложения (4) с резиновой пробкой и установленной в нее воронкой, и азотной ловушки (5). Измерительный сосуд помещен в термостат (6). Температура в термостате измеряется с помощью водного термометра (3). Система оснащена двумя вакуумными кранами: (2) - для отсечения форвакуумного насоса и (8) - для отсечения системы разложения от измерительной части.
Для определения массовой доли основного вещества гидрида щелочного металла, навеска материала взвешивается в диапазоне от 0,1 до 0,5 г, и переносится в реакционную колбу (4). По разности в массе, пробирки с навеской и пустой пробирки, находят величину навески до четвертого знака после запятой. Колбу быстро закрывают пробкой с воронкой и присоединяют к азотной ловушке 5 посредством силиконовой трубки.
3
3
В азотную ловушку 5 заливают жидкий азот. Открывают кран 2. С помощью насоса 9 откачивают измерительную систему до 0 мм рт.ст., перекрывают кран 8 проверяют на герметичность (давление не должно меняться в течении 1 минуты). В воронку наливают от 15 см до 20 смдистиллированной воды (количество дистиллированной воды зависит от величины навески), отмеренный при помощи бюретки. Затем через кран 4 в воронке, осторожно, сначала по каплям, потом небольшими порциями, прибавляют дистиллированную воду, следя за тем, чтобы очередная порция поступала в колбу после замедления растворения продукта. После прибавления всей дистиллированной воды носик воронки должен быть целиком заполнен водой. Выдерживают в течении 5 минут, снимают показания давления с датчика 1. С помощью водного термометра 3 измеряют температуру в термостате. Далее по формуле
,
0
где V - объем выделившегося газа при нормальных условиях;
сист
_
V объем системы разложения;
колбы
V - объем реакционной колбы;
воды
V - объем прибавленной воды;
газа
Р- давление выделившегося газа при разложении навески материала;
Т - температура термостата.
3
После измерения объема газа отсоединяют реакционную колбу, переносят ее содержимое в мерную колбу вместимостью 250 см, стенки колбы и пробку тщательно промывают дистиллированной водой, собирая ее в ту же колбу. Доводят объем раствора до метки дистиллированной водой и перемешивают.
3
3
Из мерной колбы отбирают пипеткой 25 см раствора в коническую колбу вместимостью 250 см, добавляют 2-3 капли индикатора метилового красного и титруют 0,3 н раствором серной кислоты до изменения желтой окраски раствора в розовую.
Рассчитывают количество основного вещества, моль, в навеске по формуле
,
к
3
где V - объем кислоты, см, пошедший на титрование;
3
с - концентрация кислоты, моль/ дм;
мк
V - объем мерной колбы;
ал
V - объем аликвоты.
Массовую долю основного вещества в процентах вычисляют по формуле:
,
где S - количество основного вещества, моль;
М - молекулярная масса материала, г/моль;
m - масса навески, г.
Таким образом, при применении данного решения выявлены следующие признаки, представленные в Таблице 1.
Промышленная применимость.
Данный способ опробован на образцах гидрида щелочного металла. Диапазон определяемых концентраций основного вещества от 97-100%. Рассчитаны и присвоены следующие характеристики погрешности приведенные в Таблице 2.
Для широты выше 45° поправки прибавляют, для широт ниже 45° -вычитают из показаний барометра, пересчитанных на 0°.
б) пересчет к уровню моря
Поправки вычитают из показаний барометра, пересчитанных на 0°С.