Методы контроля и анализа веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция. Методы контроля и анализа веществ

Изучение химического состава исходного сырья (руд, концентратов), промежуточных продуктов производства (электролитов, пульп, растворов различного состава), готовой продукции (металлов, сплавов и т.д.), различных вспомогательных материалов осуществляется путем аналитического контроля производства. АК дает возможность судить о ходе технологического процесса, соответствии его установленным режимам, о качестве используемого сырья и готовой продукции. Хорошо налаженный контроль способствует ритмичной работе предприятия, повышению качества продукции, уменьшению отходов производства, снижению брака.

Организация аналитической службы на предприятии

химический аналитический пробоотбор концентрат

На предприятиях технологический процесс контролируется специальной службой, в которую входят лаборатории: ЦЗЛ, цеховые, экспресс-анализа, специального назначения (анализ воды, промышленных стоков) и санитарно-промышленные.

ЦЗЛ осуществляет контроль технологического процесса на всех стадиях. Кроме того, ЦЗЛ должна осваивать и использовать новые, наиболее перспективные методы контроля, участвовать в подготовке новых ГОСТов и ТУ, проводить арбитражные и проверочные анализы, осуществлять методическое руководство цеховыми лабораториями.

Объекты анализа (руды, концентраты, оксиды, соли, металлы, сплавы, производственные растворы) могут содержать компоненты в различных концентрациях (от десятков процентов до 10^-6 - 10^-7 %).

Все объекты металлургического производства условно можно разделить на 3 группы:

1. Сырье (руды, минералы, концентраты)

2. Вспомогательные материалы промежуточные продукты (флюсы, штейны, шлаки, растворы)

3. Конечные продукты (металлы, сплавы).

Для выполнения анализа применяют различные методы: химические, физико-химические, физические, биологические. Физико-химические и физические методы в литературе еще называют инструментальными.

В основе химических методов - аналитические реакции (АР). Аналитическими реакциями называют химические процессы, используемые для разделения, обнаружения и количественного определения элементов.

Особенность АР - высокая скорость протекания, необратимость, строгое соответствие стехиометрическим коэффициентам.

Реакции разделения должны отвечать следующему главному требованию: они должны практически полностью «нацело» отделять одни ионы от других. Для этого обычно используются реакции осаждения и разделения, а в некоторых случаях - реакции комплексообразования и ОВР.

Для обнаружения элементов применяют такие реакции, которые сопровождаются легко наблюдаемыми аналитическими признаками (изменение окраски, выпадение осадка, выделение газа и др.).

Количественный анализ решает задачу определения содержания (количества, концентрации) того или иного компонента в исследуемом объекте.

Вещества, вызывающие химические превращения называются реагентами или реактивами.

Принцип ФХМА и ФМА: состав вещества определяют по его свойствам.

В основе ФХМ анализа лежит измерение физических параметров химической системы, зависящих от природы компонентов системы и изменяющихся в процессе химической реакции. К таким параметрам относятся, например, величина потенциалов в потенциометрии, оптических плотностей окрашенных растворов в спектрофотометрии и др.

При ФМА измеряется тот или иной показатель свойств системы, а ХР или вовсе не используются, или имеют второстепенное значение. (спектральный).

В соответствии с решаемыми аналитическими задачами методы делятся на: качественные и количественные методы анализа

Качественный анализ устанавливает химический состав анализируемого объекта. Он включает идентификацию объекта, обнаружение тех или иных компонентов.

1)	МЕТОДЫ Идентификация		А:	ОТВЕЧАЮТ НА ВОПРОС Что это?
2)	Обнаружение		Б:	Есть ли это в объекте или нет?
3)	Количественный анализ		В:	Сколько этого в объекте?

Количественный анализ основан на определении зависимостей между величиной измеряемого физико-химического параметра и концентрацией определяемого компонента в анализируемом образце. Такие зависимости выражаются обычно математически в виде соответствующих законов

Общий (химический) анализ и фазовый анализ

На эти две группы делится все разнообразие методов количественного анализа. Задачи, решаемые в этих группах методов:

Общий анализ устанавливает общее содержание элемента, ионов, простых соединений в анализируемом материале (например, концентрацию SiO₂ в глине или Pb в руде и т.д.)

Фазовый анализ устанавливает, в виде каких именно соединений находится элемент в анализируемом материале, и определяет количественное содержание этих соединений (например, какая часть SiO₂ в глине присутствует в виде силиката и в свободном состоянии; какая часть Pb в руде присутствует в виде PbS и в виде PbCO₃ и т.д.)

Ф и ФХМ отличаются высокой чувствительностью и скоростью выполнения, что позволяет автоматизировать анализ и определять ультрамалые количества веществ (10^-7-10^-9%).

По размерам пробы, взятой для анализа методы делят на Макро- (0,1 - 1,0г или 1,0 - 10см³), полумикро- (0,01-0,1г или 0,1 - 1,0 см³), микро- (0,001-0,01 г или 0,01-0,1см³), ультрамикрометоды (10^-6 - 10^-9г; 10^-3 - 10^-4см³).

Определения очень малых концентраций в большом объеме пробы характерны для химической промышленности, геохимии охране окружающей среды. Для решения таких задач подходят Х и ФХ методы ( при этом используют предварительное концентрирование компонентов).

Задачи определения вещества в очень маленькой пробе (характерны для медицины, криминалистики, исследования уникальных объектов) решают с помощью высокочувствительных физических методов анализа (активационный анализ, масс-спектрометрия).

Требования, предъявляемые к методам анализа

Каждый аналитический метод имеет свою область применения и характеризуется:

1. временем, необходимым для выполнения анализа

2. порогом чувствительности определения (предел обнаружения)

3. точностью (воспроизводимостью) результатов

4. правильностью результатов;

5. избирательностью.

Порог чувствительности метода характеризуется величиной обнаруживаемого минимума вещества. Величина может быть выражена в микрограммах (мкг), процентах (по отношению к сухому в-ву), в моль/дм³.

Чем меньше количество вещества, обнаруживаемого данным методом, тем более чувствительнее метод.

Воспроизводимость-это отклонение повторных результатов анализа от их среднего значения. Правильность-разность между полученным результатом и истинным содержанием определяемого в-ва.

Воспроизводимость характеризует рассеяние результатов вследствие случайных ошибок, правильность - наличие или отсутствие систематических ошибок. Точность анализа характеризует близость к нулю всех видов ошибок.

Воспроизводимость метода зависит от многих факторов. В ФХМА таких факторов больше, чем в ХМА, что связано с использованием сложной аппаратуры и графических методов расчета. Поэтому точность ФХМА обычно меньше, чем ХМА. Наиболее воспроизводимым и правильным является гравиметрический метод анализа.

Для полной характеристики метода необходимо сопоставлять воспроизводимость и правильность.

Пробоотбор

Цели и задачи пробоотбора

Материалы добываются или производятся обычно большими партиями, достигающими десятков или сотен тонн. Анализируется же небольшое количество материала, как правило, навеска пробы не превышает 1г.

Если объекты анализа находятся в жидком или газообразном состоянии, являются однородными, то отбор пробы не вызывает затруднений. Твердые объекты, особенно сложного хим.состава, чаще всего представляют гетерогенную смесь с неравномерным распределением разнообразных компонентов.

Аналитический контроль может быть надежным только в том случае, если проба правильно отражает состав материала, из которого она была отобрана.

СРЕДНЯЯ ПРОБА - это небольшое, взятое из общей массы количество вещества, средний состав которого соответствует среднему составу всего анализируемого объекта.

Отбор пробы состоит из взятия начальной пробы от большой массы вещества и сокращения различными методами отобранной первоначальной пробы до такого кол-ва, которое используется для анализа. Окончательная проба и будет средней.

Чтобы получить представительную пробу (соответствующую действительному составу анализируемого объекта), нужно выполнять определенные правила:

1. Пробу следует брать тем большего объема, чем крупнозернистее материал.

2. Следует брать возможно большее число проб, сократив при этом число параллельных определений одной пробы, например, целесообразнее взять четыре пробы и анализировать каждую по два раза, нежели проводить по три определения трех проб одного и того же вещества.

Отдельные пробы должны иметь один и тот же объем.

3. Отбор проб из кучи материала необходимо проводить из нескольких точек каждого слоя определенной высоты, причем расстояние от осевой линии конической кучи до этих точек должно пропорционально уменьшаться от слоя к слою.

4. Если сыпучие материалы расфасованы, то пробы отбирают из разных фасовок (мешков, бочек, цистерн и т.д.) не менее 5% от общего числа.

Способы отбора проб

Неподвижные материалы опробуются следующими методами:

1. Метод вычерпывания. Это взятие малых и примерно равных порций материала лопатой (совком) с его поверхности (взятие частичных проб). Частичные пробы после смешивания дают генеральную пробу. Обычно задают число частичных проб и их массу (например, 25 проб по 0,25-0,5кг каждая). Применяется до сих пор для опробования материалов из вагонеток, штабелей, отвалов. Лучшие результаты дает полное вычерпывание (на всю толщину слоя материала.

Неточность метода обусловлена:

Различием состава мелких и крупных фракций материала;

Возможностью попадания в пробу наиболее богатых кусков породы

Субъективизм при отборе пробы.

2. Метод сбрасывания на конус с последующим квартованием.

Он применяется для опробования партий руды 2-3т, лежащих на поверхности. Представляет собой комбинацию перемешивания (метод кольца и конуса) и сокращения квартованием до допустимой для данной крупности массы. Наиболее точен.

3. Метод прокладки канав Применим для опробования штабелей весом до 100т. Штабель должен иметь форму прямоугольника с толщиной до 0,9м. Подходит для влажного мелкого материала (стенки канав не осыпаются). В пробу поступает весь выбранный материал или периодически отбираемая его часть.

Метод фракционного отбора проб при перелопачивании

В пробу поступает, например, каждая 10 лопата. Применим к штабелям материала в несколько тонн, прост в исполнении и быстр. По точности приближается к методу квартования.

Неточность метода обусловлена:

Влиянием сегрегации

Невозможностью соблюдения равенства масс отбираемых порций материала.

Метод шурфов применяется для россыпных месторождений, штабелей, отвалов большой высоты и объема. Шурфы пробивают на всю толщину слоя сеткой (сторона квадрата 10-50м), выбраный материал перемешивают и сокращают. Этот способ наиболее дорог и применим в случае необходимости повышенной точности опробования.

Если же материал мелкий, то его опробуют щупами - тонкостенными трубами d= 12-50мм, которую вдавливают в слой материала. Часть этого материала остается в трубе, представляет собой частичную пробу.

Пробоотбор от движущихся масс

1. Метод сечений Часть струи опробуемого материала через равные промежутки времени отсекается в пробу.

1.1. метод продольных сечений

1.2. Метод поперечных сечений.

Отдельные предметы или кусковые материалы:

1. Вырубание с помощью зубила

2. Сверление. Места определяют по спец.шаблонам по диагонали образца. (лучше насквозь или на полтолщины с той и другой стороны.

3. Фрезерование нескольких листов.

4. Скручивание проволоки в толстый жгут; затем напильником или на фрезерном станке получают стружку.

5. Распиливание чушек или болванок на несколько кусков в строго определенных точках по его длине.

6. Жидкий Ме наливается в специальные изложницы или берется в виде так называемой «скрапины», т.е. тонкого слоя Ме. Стружку получают сверлением, фрезерованием или строганием.

7. Перед взятием пробы от кусковых материалов, а также от готовых изделий их необходимо тщательно зачистить наждачной бумагой от загрязнений, краски или окисных пленок.

Следует отметить, что увеличение числа частичных проб более заметно повышает точность опробования, чем увеличение веса частичной пробы

А - вероятная ошибка в определении содержания металла, %

В - число частичных проб

Рисунок 2.1 - Зависимость вероятной ошибки от числа частичных проб

Подготовка средней пробы

Первичные пробы велики и неоднородны. Их подвергают дальнейшей переработке (измельчению, перемешиванию и сокращению).

Операции дробления и измельчения осуществляются с помощью дробилок, истирателей, виброистирателей, шаровых мельниц и др.

Сокращение

Выбор схемы сокращения зависит от следующих факторов:

· Крупности материала пробы

· Его вещественного состава

· Массы опробуемого материала

· Условий опробования (из потока или из неподвижного материала и т.д.)

2 варианта:

1. материал пробы соответствует по крупности конечному размеру пробы (т.е. его крупность соответствует величине средней лабораторной пробы) и измельчение не требуется

2. материал слишком крупный, требуется его измельчить перед сокращением.

Требующаяся степень измельчения материала

где d₁ и d_m - размер куска исходного и в конечной пробе, соответственно.

Требующаяся степень сокращения пробы

где W₁ и W_m масса исходной и конечной пробы, соответственно.

Способы сокращения проб:

Метод кольца и конуса

Метод квартования

Правила хранения пробы:

1. Пробы помещают в закрывающуюся металлическую или стеклянную посуду или в чистые полиэтиленовые мешочки.

2. На этикетке указывается название пробы и ее происхождение, дата отбора и цель анализа.

3. Кол-во пробы должно быть достаточным для 2-3 параллельных определений

4. Перед взятием навески пробу хорошо перемешивают.

Подготовка пробы к анализу

1. Определение гигроскопической и химически связанной воды

Гигроскопическая влажность (ГВ) обусловлена адсорбцией воды на поверхности твердого материала, и зависит от давления водяных паров, свойств материала и его удельной поверхности (степени измельчения). Изменение содержания ГВ отражается на содержании каждого из компонентов в единице веса вещества, некоторые вещества могут содержать в воздушно-сухом состоянии до 10% Н₂О и более; причем значение ГВ меняется в зависимости от внешних условий. Поэтому перед проведением хим.анализа следует определить ГВ и затем пересчитать результаты хим.анализа на СУХОЕ ВЕЩЕСТВО; это облегчает сравнение результатов анализа различных лабораторий, установление формулы вещества и т.д.

Необходимо лишь ОДНОВРЕМЕННО отбирать (в тот же день) навеску материала для хим.анализа и для определения г. влаги (по разнице).

Наиболее часто применяют косвенный метод определения влаги, хотя он не очень точен: убыль веса может быть обусловлена частичным разложением пробы.

Проведение анализа:

- высушивание бюкса при температуре t=105-110^оС до постоянного веса (обычно 0,5 часа); охлаждение в эксикаторе; взвешивание.

- отбор 1-2г на аналитических весах измельченного материала в подготовленный бюкс;

- высушивание бюкса с навеской (крышка открыта!) в сушильном шкафу при t=105-110^оС до постоянного веса (сначала 1,0 - 1,5часа, затем по 0,5 часа до постоянного веса).

- Расчет влажности материала по формуле

где Да=а-а₁

а - навеска анализируемого материала, г;

а₁ - масса высушенного материала, г.

пересчет результатов хим.анализа на сухое вещество

где б' - концентрация определяемого элемента в анализ. материале, %

б - концентрация определяемого элемента в сухом анализируемом материале, %.

Аналогично определяют химически связанную (конституционную) воду, например, входящую в состав кристаллогидрата CuSO₄*5H₂O. При этом увеличивают лишь температуру при нагревании навески; иногда прокаливают навеску при температуре в несколько сотен градусов.

При косвенном определении влажности также можно использовать связь между влажностью и электрическими свойствами продукта (кондуктометрические, емкостные, высокочастотные влагомеры).

Наиболее простой инструментальный метод - кондуктометрический, использующий связь между W и электропроводностью g материала

W=kg

Более универсальны нейтронные влагомеры. Их действие основано на эффекте замедления быстрых нейтронов при столкновении с ядрами водорода и регистрации замедленных нейтронов. На ядрах водорода нейтрон теряет больше всего энергии (примерно половину). Поэтому во влажной среде замедлении нейтронов происходит главным образом за счет ядер водорода.

Методы переведения веществ в раствор

Они основаны на химико-аналитических свойствах объекта и реагентов. Правильным подбором растворителя можно обеспечить полное или селективное (фазовый анализ) разложение навески.

3 способа растворения (разложения) пробы:

1. «мокрый» способ - растворами кислот, солей, щелочей.

HCl - образует хорошо растворимые в воде соли, высоколетучие соединения (например с элементами подгруппы мышьяка NH₃, PH₃, AsH₃), обладает слабыми восстановительными св-вами. Может не только переводить в раствор сложные многокомпонентные системы, но и разделять их на составляющие элементы.

НNO₃ - очень сильный окислитель. Восстанавливается до азотистой и оксидов азота при растворении минералов, содержащих медь, серебро, и свинец, или до аммиака при растворении минералов, включающих цинк и алюминий.

Царская водка (НNO₃: HCl =1:3) - При нагревании содержит свободный хлор и хлористый нитрозил (6HCl+2HNO₃=2NO^+3Cl₂^+4H₂O),обладающие сильными окислительными свойствами. При растворении пробы в царской водкесначала приливают соляную кислоту, а затем по каплям азотную соблюдая соотношение 3:1.

Лефортова водка (обратная царская водка) НNO₃: HCl =3:1

H₂SO₄ - Окислитель в концентрированном состоянии. При нагревании восстанавливается до сернистой кислоты, сероводорода и элементной серы.

Соли аммония (NH₄Cl, NH₄NO₃)

2. сухой» - сплавлением с твердыми плавнями.

Плавни щелочные и кислотные (Na₂CO₃, NaOH, NaOH+Na₂O₂, KHSO₄).

3.комбинированный.

Предварительно пробу следует высушить и удалить органику (обжигом).

Размещено на Allbest.ru