Изучение взаимного влияния основы и определяемого элемента при атомно-абсорбционном анализе сталей на марганец, никель и хром

УДК 543. 422

ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ОСНОВЫ И ОПРЕДЕЛЯЕМОГО ЭЛЕМЕНТА ПРИ АТОМНО-АБСОРБЦИОННОМ АНАЛИЗЕ СТАЛЕЙ НА МАРГАНЕЦ, НИКЕЛЬ И ХРОМ

В.И. Барсуков

Кафедра физики, ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: атомная абсорбция; взаимные влияния; растворители; точность и воспроизводимость; тип пламени; режим горения.

Аннотация: Для разработки методик прямого определения марганца, никеля и хрома в сталях после их кислотного растворения был исследован ряд факторов, оказывающих влияние на точность и воспроизводимость атомно-абсорбционного определения металлов в растворе. К их числу относятся влияние со стороны основы и основных сопутствующих элементов, выбор типа пламени и режима его горения и другое.

Несмотря на большое число работ по атомно-абсорбционному анализу сталей и сплавов на основе железа, в которых разработано довольно много методик, пригодных для определения самых различных элементов, единой процедуры анализа, позволяющей одновременно определять содержание большинства элементов в этих сплавах, не существует. Трудности создания такой методики обусловлены проблемой растворения образцов и существованием различных эффектов [1, с. 207]. Основной эффект связан с сильным влиянием железа на результаты определения многих элементов, присутствующих в сталях. Следует подчеркнуть также, что имеющиеся в литературе данные о влиянии основы и сопутствующих элементов при определении изучаемых нами металлов в сталях и сплавах получены, в основном, при рассмотрении влияний в отдельных кислотах и влияний самих кислот [2, 3].

Известно, что в атомно-абсорбционной спектрометрии влияния носят не аддитивный характер [4]. На практике часто применяют сложные растворители. Поскольку в результате проведенных исследований для приготовления проб к анализу выбран оптимальный растворитель [5], состоящий из смеси кислот, представляет интерес оценить их влияние на чувствительность и правильность анализа.

В работе использовали пламенный атомно-абсорбционный спектрометр AAC-1N. В качестве источников резонансного излучения применяли лампы с полым катодом типа “Narva”. Ток в лампах 2,5...7 мА. Пламя воздушноацетиленовое или закись азота - ацетилен, горелка - трехщелевая. Расходы газов, найденные опытным путем, составляли при определении марганца: воздух -7,2 л/мин, ацетилен - 1,5 л/мин (стехиометрический режим); при определении

никеля: воздух - 7,3 л/мин, ацетилен - 1,2 л/мин (обедненный режим); при определении хрома исследовали влияние основы при нескольких режимах горения. Ширина входной щели монохроматора в пределах 5 делений, высота прохождения луча над горелкой - 20 делений, система светового луча - однопроходная.

Для измерения атомного поглощения марганца использовали линию 279,5 нм, коррекция неселективного поглощения осуществлялась по линии 280,1 нм (свинец).

Для измерения атомного поглощения никеля использовали линию 232,0 нм, коррекция неселективного поглощения осуществлялась по линии 231,4 нм (никель).

При определении хрома использовали линию 357,9 нм (при содержании в стали до 1 %) с коррекцией по линии 352,0 нм (неон), линию 425,4 нм (при содержании в стали от 1 до 3 %) и линию 428,97 нм (при содержании от 3 до 12 %).

В качестве контролируемого параметра, характеризующего влияние основы пробы, выбрана относительная погрешность определения (РГ, отн. %) равная

где Л-1 - поглощательная способность элемента в отсутствии железа, измеренная

по рабочему раствору, содержащему кислотный растворитель; Л2 - поглощательная способность определяемого элемента, измеренная по его водному раствору; Л3 - поглощательная способность, измеренная по растворам, содержащим различные концентрации влияющего элемента.

Результаты влияния железа при определении марганца приведены на рис. 1. Видно, что изменение концентрации железа выше 3,75 г/л, что соответствует 75 % в твердом образце, не влияет на правильность определения элемента, хотя степень влияния оценивается в 22 % при использовании кислотного растворителя типа 1 [5].

Изучение влияний при определении марганца

Ри, %

0

-10

-20

-о-  о- и о

-30

3.5

70

4.0 4.5

80 90

-2

Рис. 1 Относительная погрешность РГ определения марганца

Изучение влияний при определении никеля

Сведения об относительной погрешности определения никеля в рабочем растворе, состоящем из смеси хлорной, фосфорной и азотной кислот, приведены на рис. 2. При определении никеля с содержанием его в твердом образце с учетом выбранной методики подготовки проб к анализу равном 2 % (100 мкг/мл в растворе) наблюдается аналогичная с марганцем картина влияний железа. Для меньших концентраций никеля характерно отсутствие постоянного плато на графике, что затрудняет проведение точных измерений и вносит дополнительную погрешность в анализ. В этом случае необходимо проведение исследований по выработке эффективных мер для снижения погрешности анализа, величина которой при выборе сталей для исследований с содержанием основного компонента - железа, равном 80 % и около 100 % в проведенных экспериментах, составляет более 5 %. Интересно отметить, что в отмеченных условиях, межэлементное влияние в системе N1 - Ге приводит к росту атомного поглощения никеля во всем диапазоне изученных концентраций, причем максимальный положительный эффект в 48 % достигается для концентрации никеля в растворе 10 мкг/мл при соотношении с концентрацией железа 1:360. Положительный знак влияний говорит о том, что в присутствии железа увеличивается чувствительность определения никеля. Этот эффект усиления абсорбции, природа и механизм которого еще не изучены, следует рассматривать как результат частичного устранения влияний кислотного растворителя.

Рй, %

40 30 20 10 о -10

Рис. 2 Относительная погрешность определения Рг 10 мкг/мл - () и 100 мкг/мл - () никеля в присутствии железа в кислотном растворе

Изучение влияний при определении хрома

Хром относится к элементам, которые при определении их в сталях с использованием воздушно-ацетиленового пламени требуют более детального изучения условий определения атомно-абсорбционным методом [1, с. 208]. Поэтому помимо влияния основы изучали влияние режима горения пламени на чувствительность и правильность его определения. На рис. 3 представлены результаты, полученные при использовании стехиометрического режима горения (расход воздуха - 7,3 л/мин, ацетилена - 1,7 л/мин), а на рис. 4 - обогащенного режима (воздух - 7,3 л/мин, ацетилен - 1,9 л/мин), где для сравнения приведены несколько результатов в режиме с расходом ацетилена 1,5 л/мин (закрашенные треугольники).

о

-10

-20

-30

-40

-50

-Л 0

^Л -10 *

- ы— — -20 -зо ( .1 п 1 \ \

КХг- Д-

- -50 С1 г> Д “а ~а

1 1 1 ; и 1— —и_ -о~,т>

3.5 4.0 4.5 г_ Г/Л 0 3-5 4.0 4.5 Гт. Г/Л

70 80 90 >0 70 80 90 >0

а) б)

Рис. 3 Влияние железа на относительную погрешность определения хрома в кислотном (а) и водном (б) растворах при стехиометрическом режиме горения пламени:

О - концентрация хрома в растворе 20 мкг/мл (0,4 % в образце);

А - концентрация хрома в растворе 500 мкг/мл

а) б)

Рис. 4 Влияние железа на относительную погрешность определения хрома в кислотном (а) и водном (б) растворах при обогащенном режиме горения пламени:

О — концентрация хрома в растворе 20 мкг/мл (0,4 % в образце);

— концентрация хрома в растворе 100 мкг/мл (2,0 % в образце);

А — концентрация хрома в растворе 500 мкг/мл

Из сопоставления рис. 3, а и 4, а, на которых отражены сведения об относительной величине погрешности определения хрома по рабочему раствору, содержащему кислотный растворитель типа 1 [5], видно, что в стехиометрическом режиме для всех изученных концентраций хрома, измеренных на выбранных для анализа длинах волн, с увеличением концентрации железа увеличивается погрешность определения хрома. Т акже видно, что выбор обогащенного режима для ма-

лых концентраций хрома хотя и приводит к росту систематической погрешности анализа, легко поддающейся учету в процессе анализа, но при этом снимает случайные влияния, связанные с различным количеством присутствующего в пробе железа в диапазоне до 98 % его содержания. Степень влияния железа при определении большого содержания хрома (500 мкг/мл) при переходе к обогащенному режиму заметно снижается и, в присутствии максимального количества железа, не превышает 8 %.

Преимущество выбора стехиометрического режима заключается также в том (см. рис. 4, б), что для различных концентраций хрома величина относительной погрешности определения его по водному раствору постоянна при изменении железа в пробе и практически не зависит от концентрации хрома в растворе. Можно отметить (рис. 4, б), что депрессирующее влияние кислотного растворителя на атомную абсорбцию хрома при содержании его 500 мкг/мл в растворе и измерении по линии 428,97 нм настолько велико, что присутствие больших количеств железа в растворе не изменяет степень и характер эффекта.

Таким образом, исследования показали, что при разработке методик определения марганца, никеля и хрома в сталях с использованием пламени ацетилен -воздух необходимо учитывать влияние основы пробы, стандартные растворы нужно готовить на основе кислотного растворителя, выбранного при разработке методики разложения образцов стали. При этом для устранения влияний железа при определении по единым растворам марганца, хрома (содержание в пробе до 4 %) и высоких содержаний никеля (свыше 1 %) в сталях с различным содержанием основного вещества (железо в диапазоне концентраций от 78 до 98 %) достаточно ввести в растворы сравнения железо с конечной концентрацией в пределах 4,0...4,5 г/л, что будет соответствовать с учетом предложенной методики приготовления проб к анализу 80.90 % железа в образце стали. Для получения надежного результата при определении никеля на уровне десятой доли процента и хрома с концентрацией выше 4 % необходимо учитывать изменение систематической погрешности их определения от процентного содержания железа в исходных сталях.

В результате исследования сделан вывод, что при определении хрома более точные результаты дает работа в обогащенном режиме горения пламени ацетилен-воздух. Рекомендован конкретный режим горения пламени с соотношением воздух-ацетилен равным 3,8.

Список литературы

1 Прайс, В. Аналитическая атомно-абсорбционная спектроскопия / В. Прайс. -М.: Мир, 1976. - 356 с.

2 Rawa Judy A., Henn Earl L. American Lab / Rawa Judy A. Henn Earl LXV. 9, №. 8, 1977. - Рр. 31-34, 36, 38.

3 Дымова, Н.С. Новые методы испытания материалов / Н.С. Дымова, Т.В. Титова, Л.Б. Иванова. - М.: Химия, 1982. - С. 22-25.

4 Кабанова, Н.А. Инструментальные и химические методы анализа / Н.А. Кабанова, Ю.И. Туркин. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1973. - С. 7-12.

5 Барсуков, В. И. Изучение взаимного влияния основы и определяемого элемента на результаты анализа при определении молибдена и вольфрама в сталях / В.И. Барсуков // Вестник ТГТУ. - 2004. - Т. 10, №4. - С. 1073-1080.

Examination of Mutual Influence of Base and Determined Element under Atomic Absorption Analysis of Steel on Manganese, Nickel and Chrome

V.I. Barsukov

Department of Physics, TSTU

Key words and phrases: atomic absorption; mutual influence; solvents; accuracy and reproducibility; flame type; burning mode.

Abstract: A number of factors influencing the accuracy and reproducibility of atomic absorption determination of metal in the solution were examined in order to develop the methods of direct determination of manganese, nickel and chrome in the steel after their acidic dissolution. The base and its main elements, flame type and its burning mode have an influence on it.

Erlernen der gegenseitigen Einwirkung der Basis und des bestimmenden Elementes bei der Atomabsorptionsanalyse von Stahlen auf Mangan, Nickel und Chrom

Zusammenfassung: Fur die Erarbeitung der Methodiken der direkten Bestim-mung von Mangan, Nickel und Chrom in den Stahlen nach ihrer Saurelosung wurde eine Reihe der Faktoren, die auf die Genauigkeit und auf die Reproduzierbarkeit der Atomabsorptionsbestimmung von Metallen in der Losung beeinflussen, untersucht. Da-zu gehoren die basisseitige und nebenelementseitige Einwirkung, die Auswahl des Flammetypus und der Brennenarbeitswese u.a.

Etude de l’influence mutuelle de la base et de l’element determine au cours de l’analyse atomique d’absorption des aciers sur le manganese, le nickel et le chrome

Resume: Pour l’elaboration des methodes de la definition directe du manganese, du nickel et du chrome dans les aciers apres leur solution acide a ete etudiee une serie de faits qui infuencent sur la precision et la regeneration de la determination atomique d’absorption des metaux dans la solution. Ici se rapportent l’influence de la part de la base et des elements essentiels, le choix de la flamme et du regime du brulage, etc.