Определение содержания хрома различными физико-химическими методами

   Федеральное агентство по образованию

   Государственное образовательное  учреждение высшего

   профессионального образования 

   Тульский  государственный  университет 
 
 
 
 
 

   Кафедра АОТиОС

      
 
 

   Курсовая  работа:

   «Определение  содержания хрома

     различными физико-химическими методами». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Выполнил:     студентка группы 320601

     Колесникова Е.В.

Проверил:   доцент кафедры АОТ и ОС

   Пастушенко  В.Г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Тула, 2011

 

 

Оглавление

Хром  и его свойства 3

Общие способы определения  хрома 4

Фотоколометрический способ. Определение  хрома в виде хромата (6ихромата) методом сравнения 4

Экстракционно-фотометрическое  определение малых  количеств хрома  с дифенилкарбазидом 4

Методы  прямого спектрального  анализа 5

Эмиссионная фотометрия пламени 6

Другие  методы 7

Атомно-абсорбционный  метод 8

Метод определения содержания общего хрома в воде с использованием пламенной атомной абсорбции 8

Применение  метода атомно-абсорбционной  спектрометрии для  определения Cr 16

Индивидуальные  задания 18

Список  литературы: 20 
 

 

Хром  и его свойства

    Хром - серебристый с голубоватым отливом  металл. Атомный вес его 52, удельный вес 7,1 г/см³, температура плавления 1830 ^оС, электрохимический эквивалент 0,323 г/а-ч, нормальный потенциал 0,55 в.

    Хром  является довольно распространённым элементом (0,02 масс. долей, %). Основные соединения хрома — хромистый железняк (хромит) FeO·Cr₂O₃. Вторым по значимости минералом является крокоит PbCrO₄. Самые большие месторождения хрома находятся в ЮАР (1 место в мире), Казахстане, России, Зимбабве, Мадагаскаре. Также есть месторождения на территории Турции, Индии, Армении, Бразилии, на Филиппинах.

    Главные месторождения хромовых руд в  РФ известны на Урале (Донские и Сарановское).

    Хром - важный компонент во многих легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также и в ряде других сплавов. Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование). Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.

    Хром - один из биогенных элементов, постоянно  входит в состав тканей растений и животных. У животных хром участвует в обмене липидов, белков (входит в состав фермента трипсина), углеводов. Снижение содержания хрома в пище и крови приводит к уменьшению скорости роста, увеличению холестерина в крови.

    В чистом виде хром довольно токсичен, металлическая  пыль хрома раздражает ткани лёгких. Соединения хрома(III) вызывают дерматиты. Соединения хрома(VI) приводят к разным заболеваниям человека, в том числе и онкологическим. ПДК хрома(VI) в атмосферном воздухе 0,0015 мг/м³.

 

Общие способы определения  хрома

Фотоколометрический способ. Определение хрома в виде хромата (6ихромата) методом сравнения

 

    Фотоколориметрическое определение концентрации вещества в растворе методом сравнения оптической плотности исследуемого и стандартного растворов.

    Сущность  работы. Для колориметрирования используется светопоглощение ионами, образованными шестивалентным хромом. Измеряют оптические плотности стандартного раствора известной концентрации и исследуемого раствора. Максимальное поглощение света растворами бихромата наблюдается при 400—450 нм.

    Концентрацию  элемента в исследуемом растворе С_х определяют по формуле: 

    Необходимо, чтобы светопоглощение растворов подчинялось закону Бугера— Ламберта—Бера. Чувствительность метода —50 мкг в 50 мл конечного объема при толщине слоя раствора 50 мм.

    Определению хрома мешает присутствие в растворе ванадия, урана, марганца (II) и восстановителей.

    Метод сравнения особенно пригоден для  однократных измерений.

Экстракционно-фотометрическое  определение малых  количеств хрома с дифенилкарбазидом

 

Цель  работы. Экстракционно-фотометрическое определение микроколичеств вещества с использованием калибровочного графика.

Сущность  работы. Определение основано на образовании окрашенного соединения Сг (VI) с дифенилкарбазидом и экстракции его   комплекса   с   нафталин-β-сульфонатом   натрия изоамиловым спиртом.

    Окрашенное  соединение Сг (VI) с дифенилкарбазидом является однозарядным катионом, который с нафталин-β-сульфонатом образует соединение, хорошо экстрагируемое изоамиловым спиртом. При умеренных количествах большинство посторонних ионов определению хрома не мешает. Чувствительность определения — 0,001 мкг в 1 мл исследуемого водного раствора.

    Для выполнения работы приготавливают несколько  стандартных растворов, экстрагируют окрашенное соединение изоамиловым спиртом, измеряют оптические плотности экстрактов и строят калибровочный график. Затем аналогично приготавливают экстракт исследуемого раствора и по измеренной величине оптической плотности и калибровочному графику определяют неизвестную концентрацию.

Мешающие  вещества. Реакция с дифенилкарбазидом почти специфична для хрома. Молибден (IV) и ртуть (II) образуют с дифенилкарбазидом окрашенные соединения, но при том значении ph, при котором определяют хром, оба эти элемента допустимы в концентрациях до 200 мг/л. Ванадий мешает, но его присутствие допустимо в количествах, превышающих содержание хрома в 10 раз. Железо в условиях проведения определения не мешает. Марганец при большом его содержании в пробе и при отсутствии катализатора нитрата серебра может выпасть в осадок в виде гидрата диоксида марганца; осадок тогда отделяют фильтрованием через стеклянную пористую пластинку или через стеклянную вату.

Методы  прямого спектрального  анализа

 

    Спектральный  анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах. Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

    Структура электронных оболочек атома хрома  — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹ — определяет сложный характер его спектра. Он состоит из 1133 спектральных линий. Наиболее интенсивные линии хрома расположены в видимой области и имеют длины волн 425, 43, 427, 48 и 428,97 нм. Для определения малых количеств хрома используют линию 425,43 нм. В УФ-области имеется ряд менее чувствительных линий; 340,53, 357,86 и 389,34 нм.

    В качестве источников возбуждения спектров применяют дугу постоянного и  переменного тока, низковольтный, высоковольтный, конденсированный и высокочастотный искровые разряды. Пределы обнаружения хрома при разных способах возбуждения в пробе, смешанной с угольным порошком (1 : 1), равны (в %):

Испарение   из канала    угольного электрода	1·10-3
Метод воздушного дутья	1·10-3
Плазматрон	9·10-3

 

    Применение  электродов из стеклоуглерода увеличивает интенсивность линии Сг 286,26 нм примерно в 3 раза по сравнению с обычными угольными электродами. Отмечены также высокая стабильность разряда и малое влияние примесей, содержащихся в таких электродах. Эти электроды могут быть использованы при определении Mn, Mg, Fe, Zn, Y, Cr из растворов по методу вращающегося диска, а также при испарении сухого остатка с торца электрода. При прямом спектральном определении хрома в стали и чугунах используют дуговой разряд при пониженном давлении воздуха. Понижение давления воздуха до 400—100 мм рт. ст. позволяет создать условия возбуждения спектра, способствующие снижению предела обнаружения примерно на порядок.

    Одним из основных недостатков методов  прямого спектрального анализа является влияние основы, ее физических свойств и неоднородности частиц по размерам на точность определения микроэлемента. Для устранения этого влияния рекомендуется анализируемую пробу смешивать с буферами.

    В связи с анализом ультрачистых веществ  и биологических объектов большое внимание уделяется и анализу растворов, полученных после соответствующей химической обработки анализируемых проб. Спектральный анализ растворов исключает ошибки, связанные с влиянием структуры, тепловой истории образца и с неравномерным распределением в нем элементов. Устраняется также фракционирование элементов, уменьшается влияние матрицы и «третьих элементов» на результаты анализа.

Эмиссионная фотометрия пламени

 

    Эмиссионная фотометрия пламени (пламенная фотометрия), оптический метод количественного элементного анализа по атомным спектрам испускания. Для получения спектров анализируемое вещество переводят в атомный пар в пламени. Термическая фотометрия пламени - разновидность атомного эмиссионного спектрального анализа. В этом методе анализируемый раствор в виде аэрозоля вводят в пламя горючей смеси воздуха или N₂O с углеводородами (пропаном, бутаном, ацетиленом). При этом растворитель и соли определяемых металлов испаряются и диссоциируют на свободные атомы. Атомы металлов и образовавшиеся в ряде случаев молекулы их оксидов и гидроксидов возбуждаются и излучают световую энергию. Из всего спектра испускания выделяют характерную для определяемого элемента аналитическую линию (с помощью светофильтра или монохроматора) и фотоэлектрически измеряют ее интенсивность, которая служит мерой концентрации данного элемента.

    Соединения  хрома в пламени имеют атомный  линейчатый спектр и молекулярный спектр в области 540—700 нм. Степень диссоциации кислородных соединений хрома в пламени ацетилен—воздух составляет 13%, а энергия диссоциации равна 4,4 эв. Вследствие этого хром может быть определен в окислительных (пропан—воздух, ацетилен—воздух) и в слабовосстановительных пламенах. Предел обнаружения хрома по наиболее интенсивной линии (425,4 нм) в этих пламенах равен 2 мкг/мл. К этой линии близко расположена линия кальция с длиной волны 422,2 нм, которая на приборах малой дисперсии мешает определению хрома. Поэтому анализ проводят только с помощью монохроматоров средней дисперсии методом сканирования. В этом случае прибор записывает весь спектр хрома. Для возбуждения спектра хрома выгоднее применять высокотемпературные пламена ацетилен—воздух, водород—кислород и горелки-распылители прямого действия. При использовании обогащенного кислородом пламени ацетилен—воздух предел обнаружения хрома снижается до 0,005 мкг/мл.

    Поведение элемента в пламени зависит от его состояния окисления в соединении, вводимом в пламя. Особенно характерен в этом отношении хром. Так, в пламенах, обогащенных горючим газом, чувствительность определения Сг(III) выше, чем Cr(VI). В окислительных пламенах этой разницы не наблюдается.

Другие  методы

 

    Хром  количественно осаждается аммиаком. Осадок следует под конец прокаливать в атмосфере водорода, иначе получаются повышенные результаты вследствие окисления хрома в процессе прокаливания. В связи с этим, а также и потому, что хром почти всегда сопровождают посторонние, осаждающиеся аммиаком элементы, как, например, железо, алюминий, фосфор и ванадий, этим методом для определения хрома пользуются лишь в редких случаях.