Методы определения марганца в бронзе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова"

Химико-фармацевтический факультет

Кафедра общей, неорганической и аналитической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ: "Аналитическая химия"

Методы определения марганца в бронзе

Выполнил: студент группы х-11-13

Иванова И.В.

Чебоксары - 2015 г



Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Марганец

1.2 Бронза

1.3 Методы определения марганца в бронзе

1.4 Характеристика Бр. АЖС7-1,5-1,5

2.5 Применение бронзы

2.6 Исторические факты

2. Экспериментальная часть

2.1 Подготовка пробы

2.2 Фотометрический метод

2.3 Атомно-абсорбционное определение марганца

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Расширение объектов исследования и возрастающие требования современной промышленности к чистоте материалов и к комплексному использованию сырья привели к разработке новых, более точных, быстрых и высокочувствительных методов определения марганца.

Наиболее существенным достижением в аналитической химии марганца явилось использование нейтронно-активационного метода. Благодаря высокому значению поперечного сечения реакции радиационного захвата тепловых нейтронов природным изотопом ⁵⁵Мn, этот метод позволяет определять марганец из очень малых количеств исследуемых проб и без их разрушения. Методы и средства анализа постоянно изменяются: привлекаются новые подходы, используются новые принципы, явления, часто из далеких областей знания. Под методом анализа понимают достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ определения состава безотносительно к определяемому компоненту и к анализируемому объекту. Когда говорят о методе анализа, имеют в виду принцип, положенный в основу, количественное выражение связи между составом и каким-либо измеряемым свойством; отобранные приемы осуществления, включая выявление и устранение помех; устройства для практической реализации и способы обработки результатов измерений. Методика анализа - это подробное описание анализа данного объекта с использованием выбранного метода. Выбирая метод анализа, необходимо четко знать цель анализа, задачи, которые нужно при этом решить, оценить достоинства и недостатки доступных методов анализа.

Целью курсовой работы по дисциплине «Аналитическая химия» является освоение физико-химических методов, и определение марганца в бронзе. Поставленная цель достигается решением конкретного задания, по анализу вещества под маркой Бр. АЖС7-1,5-1,5.



1. Литературный обзор

Анализ металлов представляет собой раздел технического анализа, занимающегося анализом металлов, руд, полупродуктов, масел, воды и др. Технический анализ - приложение методов аналитической химии к анализу промышленных объектов. Технический анализ имеет большое значение для народного хозяйства. При производстве металлов надо контролировать качество поступающего сырья, готовых изделий и полупродуктов. Требуемое качество устанавливается на основании нормам, предусмотренным ГОСТом и техническими условиями.

марганец бронза фотометрический абсорбционный

1.1 Марганец

Марганец - один из первых редких металлов, применяемых в промышленности, например, для производства стали. Поэтому интерес к аналитической химии марганца возник очень давно. Однако наибольшие успехи достигнуты при разработке новых методов анализа для определения марганца в различных природных и промышленных материалах. В настоящее время марганец определяют при анализе сталей, сплавов, полупроводниковых материалов, особо чистых веществ, органических веществ, почв, биологических материалов, горных пород различного происхождения, минералов, руд и, наконец, космического вещества в виде метеоритов и лунных пород.

В большинстве марок сталей, марганца содержится около 0,3-0,8%; в сплавах от 3-4% марганца.

1.2 Бронза

Бронза (франц. bronze, от итал. -- bronzo), ряд двойных или многокомпонентных сплавов на основе меди, где основным легирующим компонентом являются олово, бериллий, марганец, алюминий или другой элемент (соответственно бронза называются оловянными, бериллиевыми, марганцевыми, алюминиевыми и т. п.), иногда с добавлением дополнительных компонентов -- цинка, свинца, фосфора и пр. Однако бронзой не может быть назван сплавы меди с цинком (это латунь) и никелем (медноникелевые сплавы).

Температура плавления бронз составляет 950-1100°С, температура литья бронз - в диапазоне 1100-1300°С.

По составу компонентов бронзы делят на:

Оловянные бронзы.

Оловянные бронзы применяют с древнейших времен, и они хорошо освоены промышленностью. Бронзы отличаются невысокой текучестью из-за большого интервала кристаллизации. По этой же причине в бронзе не образуется концентрированная усадочная раковина, а возникает рассеянная мелкая пористость. Линейная усадка у оловянных бронз очень невелика и составляет 0,8% при литье в песчаную форму и 1,4% при литье в кокиль. Указанные свойства облегчают получение отливок, от которых не требуется высокой герметичности

Алюминиевые бронзы.

По распространенности в промышленности алюминиевые бронзы занимают одно из первых мест среди медных сплавов. В меди растворяется довольно большое количество алюминия: 7,4% при 1035 °С, 9,4% при 565 °С и около 9% при комнатной температуре. С увеличением содержания алюминия прочностные свойства сплавов повышаются. Оптимальными механическими свойствами обладают сплавы, содержащие 5 - 8% Аl. Наряду с повышенной прочностью они сохраняют высокую пластичность. Кроме того, алюминиевые бронзы не дают искр при ударе.

Бериллиевые бронзы.

Сплавы меди с бериллием отличаются уникальным благоприятным сочетанием в них высоких прочностных и упругих свойств, высокой электро- и теплопроводностью, высоким сопротивлением разрушению и коррозионной стойкостью. Бериллий обладает в меди уменьшающейся с понижением температуры растворимостью , поэтому бериллиевые бронзы термически упрочняются. Оптимальными свойствами обладают сплавы, содержащие 2 - 2,5% Be. При дальнейшем увеличении содержания бериллия прочность сплавов повышается мало, а пластичность становится чрезмерно малой.

Кремнистые бронзы.

Кремний растворяется в меди в довольно больших количествах: 5,3% при 842 °С; 4,65% при 356 °С и около 3,5% при комнатной температуре. При увеличении содержания кремния до 3,5% повышается не только временное сопротивление разрыву меди, но и относительное удлинение. Кремнистые бронзы не дают искр при ударе; обладают довольно высокой текучестью. Недостатком этих сплавов является большая склонность к поглощению газов.

В соответствии с ГОСТ бронзы подразделяются на следующие группы:

- бронзы оловянные, обрабатываемые давлением (ГОСТ 5017-74);

- бронзы оловянные литейные(ГОСТ 613-79);

- бронзы безоловянные литейные (ГОСТ 493-79).

По применению бронзы делят на: деформируемые, технологические свойства которых допускают производство проката и поковок, и литейные, используемые для литья.

Плавка бронзы.

Плавку необходимо производить под вытяжной вентиляцией, так как некоторые элементы из состава сплавов испаряются и вредны для здоровья. При плавке, желательно не перегревать сплав, так как некоторые компоненты сплава воспламеняются на воздухе (например - цинк). При плавке рекомендуется использовать флюсы, для понижения окисления сплава. Легкоплавкие компоненты добавлять в расплав осторожно. Если требуется приготовить или откорректировать сплав, плавку начинают с легкоплавких компонентов, добавляя компоненты с более высокой температурой плавления.

Маркировка бронз.

Марки обозначаются следующим образом. Первые буква в марке означает: Бр. - бронза. Буквы, следующие за буквой Бр. в бронзе, означают: А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. - фосфор.

Цифры, помещенные после буквы, указывают среднее процентное содержание элементов. Порядок расположения цифр, принятый для латуней, отличается от порядка, принятого для бронз.

В марках бронзы (как и в сталях) содержание основного компонента - меди - не указывается, а определяется по разности. Цифры после букв, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов; цифры расположенные в том же порядке, как и буквы, указывающие на легирование бронзы тем или иным компонентом.

1.3 Методы определения марганца в бронзе

Марганец входит в качестве легирующего компонента во многие марки сталей, алюминиевых, медных, магниевых, никелевых и кобальтовых сплавов, а в виде примеси может находиться во всех металлах и сплавах.

Марганец в своих соединениях проявляет переменную валентность (+2, +3, +4, +6 и +7). Способность марганца к реакциям окисления - восстановления лежит в основе важнейших методов определения марганца - оксидиметрических и фотометрических.

ГОСТ 15027.4-77 .Бронзы безоловянные. Методы определения марганца.

Настоящий стандарт устанавливает титриметрический метод определения марганца (при массовой доле марганца от 0,5 до 6%), фотометрический метод определения марганца (при массовой доле марганца от 0,01 до 3,5%), потенциометрический метод определения марганца (при массовой доле марганца от 8 до 16%) и атомно-абсорбционный метод определения марганца (при массовой доле марганца от 0,01 до 6%) в бронзах безоловянных.

1. ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРГАНЦА.

Сущность метода: Метод основан на окислении двухвалентного марганца до семивалентного надсернокислым аммонием в кислой среде в присутствии катализатора азотнокислого серебра и титровании семивалентного марганца раствором серноватистокислого натрия до обесцвечивания раствора или солью Мора с потенциометрическим установлением конечной точки титрования или визуальным с фенилантраниловой кислотой в качестве индикатора.

2. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРГАН.ЦА.

Сущность метода: Метод основан на окислении двухвалентного марганца до семивалентного в кислой среде периодатом калия и измерении фиолетовой окраски образовавшегося перманганат-иона.Спектр марганцовой кислоты имеет два максимума - при 528 и 548нм. При 524 и 570 нм на спектре имеется небольшой перегиб. Фотометрический метод определения марганца в виде марганцовой кислоты сравнительно малочувствительный, молярный коэффициент погашения кислоты составляет 2,5^.10³, чувствительность метода 0,008мг М\50мл. Несмотря на такую низкую чувствительность, метод является очень ценным благодаря высокой избирательности. Определение марганца мешают лишь окрашенные растворы солей меди (II), никеля, кобальта и некоторые другие. Помехи со стороны окрашенных ионов можно устранить введением поправки на окраску этих ионов. Ионы всех неокрашенных металлов не мешают определению.

3.ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРГАНЦА. Сущность метода: Метод основан на потенциометрическом титровании марганца (II) в кислой среде в присутствии фторид-ионов раствором марганцовокислого калия.

4. АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРГАНЦА.

Сущность метода: Метод основан на измерении абсорбции света атомами марганца, образующимися при введении анализируемого раствора в пламя ацетилен-воздух.

1.4 Характеристика Бр.АЖС7-1,5-1,5

Марка:	Бр. АЖС7-1,5-1,5
Классификация:	Безоловянная, алюминиевая бронза.
Применение:	Антифрикционные детали, может заменять бронзу Бр.ОЦС 5-5-5;

Химический состав в % материала Бр. АЖС7-1,5-1, (комплект М138):

Индекс СО	Номер СО	Массовая доля элементов, в процентах
		Pb	Al	Fe	Si	Sb	Mn	Sn	Ni	Cu
1382	ГСО 4472-89	(0,91)	5,95	2,27	0,11	0,095	0,28	0,076	0,13	(90,2)

Литейно-технологические свойства материала Бр. АЖС7-1,5-1, (комплект М13):

Температура плавления, °C :	1045
Температура горячей обработки, °C :	700-800
Температура отжига, °C :	550 - 650

1.5 Применение бронзы

Благодаря высокой химической стойкости бронзы, из них делают трубопроводную арматуру. Таким образом, основное применение бронзы это сложные отливки, вкладыши подшипников и трубопроводная арматура. Для удешевления в большинстве промышленных бронз добавляют от пяти до десяти процентов цинка. Цинк в этих количествах растворяется в меди и не влияет существенно на структуру сплава.

Бронзы с содержанием алюминия применяются для изготовления различных втулок, направляющих седел, фланцев, шестеренок и много других преимущественно мелких деталей.

Сплав бронзы с содержанием кремния около четырех процентов является как бы заменителем оловянистых бронз, но бронзы с кремнием лучшие показатели по коррозионной стойкости, механическим свойствам и плотности бронзы в отливках.

Высокая прочность бронзы и упругость при высокой химической стойкости, хорошей свариваемости, обработке резанием делают бронзу с добавлением бериллия подходящим материалом для производства ответственных деталей, специальных пружин, мембран, пружин и контактов и много другого где требуются эти качества. Высокая стоимость бериллия препятствует широкому распространению этой бронзы и применяется для действительно для ответственных деталей со специальными свойствами.

Бронза с добавлением 30 процентов свинца является высоко качественным антифрикционным материалом широко применяемым в машиностроении

1.6 Интересные факты из истории

Бронзу связывали с хромым кузнецом Гефестом, который, согласно древнегреческому мифу, выковал из нее великана Талоса. Культовые объекты часто сооружали из бронзы, полагая, что она обладает оберегающей силой.

Первое зеркало. История зеркала начинается с обыкновенной воды. Но смотреться в водное отражение не всегда удобно и возможно. Наверное, именно поэтому появилось "мобильное" зеркало из отполированного камня (обсидиана) или металла (бронзы, серебра).

Как известно, Архимед предложил использовать медные или бронзовые отполированные щиты воинов - фактически много зеркал - против римских кораблей, пытающихся захватить его родные Сиракузы в 212 г до новой эры. По легенде, Архимед сжег римский флот. Интересно, что в наше время был проведен аналогичный эксперимент. Результат оказался ошеломляющим - Архимед действительно уничтожил корабли римлян при помощи полированных щитов и солнца!

Персей смог убить медузу Горгону, взгляд которой обращал человека в камень, так же при помощи начищенного щита. Наблюдая отражение медузы в отполированном щите, Персей отрубил Горгоне голову.

Пара взаимно отражающих зеркал и по сей день лежит в основе такого полезного военного изобретения, как перископ. Перископ позволяет оставаться незамеченным для врага и вести скрытное наблюдение.



2. Экспериментальная часть

Из возможных методов рассмотренных выше для определения марганца в бронзе, я выбрала два метода это: определение марганца атомно - абсорбционным методом и фотометрическим методом.

2.1 Подготовка пробы

Из-за большого содержания меди в бронзе (90,2%) анализ марганца затрудняется. Во избежание этого, прежде чем начать анализ исследуемого элемента избавимся от меди путем внешнего электролиза.

Для этого навеску бронзы 0,5651 г помещаем в стакан для электролиза емкостью 300 мл и растворяем в 10 мл азотной кислоты (1:1) при слабом нагревании. При растворении сплава и удалении оксидов азота кипячением, добавляем немного воды, 8 мл 2н азотной кислоты, 5 мл серной кислоты (1:4). Проводим электролиз в течение 40 мин. Раствор после отделения меди переливаем в мерную колбу на 250 мл, доводим до метки дистиллированной водой и используем этот раствор для анализа.

2.2 Фотометрическое определение марганца

Метод основан на окислении марганца до окрашенной в малиновый цвет марганцовой кислоты и измерении оптической плотности окрашенного раствора.

Необходимые реактивы и оборудование:

Кислота фосфорная, 20%-ый раствор.

Серебро азотнокислое, 1%-ый раствор.

Калий надсернокислый, 10%-ый свежеприготовленный раствор.

Стандартный раствор марганца, содержащий 0,1 мг марганца в мл.

Мерная колба (250 мл), пипетка (20 мл, 1мл), мерная колба (100 мл, 50 мл), фотометр.

Ход анализа:

Метод стандартов.

Готовим стандартный раствор перманганата калия. В мерную колбу на 100 мл, отбираем 1мл 0,1 н перманганат калия и доводим до метки дистиллированной водой, получаем перманганат калия с концентрацией 0,01 н. Отбираем 10 мл этого раствора и помещаем в мерную колбу на 50 мл и доводим до метки дистиллированной водой.

Берем из анализируемого раствора аликвотную часть (20мл) раствора, и помещаем в коническую колбу. Затем при кипячении приливаем к раствору 10 мл фосфорной кислоты, 5 мл раствора азотнокислого серебра и несколько кристалликов калия надсернокислого, до появления розовой окраски. Горячий раствор охлаждаем, и после охлаждения переносим в мерную колбу на 50 мл, и доводим до метки дистиллированной водой.

В качестве холостого раствора используем - воду.

Nст = = 0,0002 н; А_х = 0,08; А_ст = 0,140

_x = = = 0,000114 н

где, - оптическая плотность окрашенного раствора исследуемого образца; - оптическая плотность окрашенного раствора стандартного образца;

Содержание марганца в исследуемом образце рассчитывается по формуле:

% Mn = ; % Mn = = 0,14 %

Метод добавок

Из анализируемого раствора в коническую колбу отбираем аликвотную часть (20мл), добавляем к нему 10 мл фосфорной кислоты, 5 мл азотнокислого серебра, несколько кристалликов сухого калия надсернокислого, нагреваем до кипения и кипятим в течение 6-7 минут до полного окисления марганца и разрушения избытка персульфата. Раствор после охлаждения переливаем в мерную колбу вместимостью 50 мл и доводим дистиллированной водой до метки.

Для приготовления раствора в две мерные колбы (50 мл) вводим по 10 мл раствора с неизвестной концентрацией марганца. В одну из них добавляем 1 мл стандартного раствора KMnO₄ (С_х+ст) и обе колбы доводим водой до метки. Растворы тщательно перемешиваем и измеряем оптическую плотность при длине волны 540 нм в кювете с толщиной слоя 3 см.

В качестве холостого раствора используем - воду.

V_x1 = 10 мл, V_д = 0 мл, А = 0, 04

V_x2 = 10 мл, V_д = 1 мл, А = 0, 39

Содержание марганца в исследуемом образце рассчитывается по формуле:

m_ст = = = 0,00011 г

%Mn =

%Mn = = = 0,14 %

2.3 Атомно-абсорбционное определение марганца

Метод основан на измерении абсорбции света атомами марганца, образующимися при введении анализируемого раствора в пламя ацетилен-воздух.

Необходимые реактивы и оборудование:

Атомно-абсорбционный спектрометр с источником излучения для марганца.

Кислота азотная по ГОСТ 4461-77 и разбавленная 1:1.

Кислота соляная по ГОСТ 3118-77 и разбавленная 1:1.

Кислота серная по ГОСТ 4204-77, разбавленная 1:1.

Кислота фтористо-водородная по ГОСТ 10484-78.

Марганец по ГОСТ 6008-82

Стандартные растворы марганца:

Раствор А. готовят следующим образом: 0,5 г марганца растворяют при нагревании в 20 см³ соляной кислоты, разбавленной 1:1, раствор охлаждают, переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см3 и доливают водой до метки. 1 см³ раствора А содержит 0,0005 г марганца.

Раствор Б. готовят следующим образом: 20 см³ раствора А помещают в мерную колбу вместимостью 100 см³, добавляют 10 см³ 2 моль/дм³ раствора соляной кислоты и доливают водой до метки. 1 см³ раствора Б содержит 0,0001 г марганца.

Хода анализа:

Навеску бронзы помещают в стакан вместимостью 250 см³ и растворяют в 10 см³ азотной кислоты, разбавленной 1:1. Раствор охлаждают, переносят в мерную колбу вместимостью 100 см³ и доливают водой до метки. При массовой доле марганца свыше 0,15% переносят 10 см³ этого раствора в соответствующую мерную колбу, добавляют указанный объем 2 моль/дм3 раствора соляной кислоты и доливают водой до метки.

Измеряют атомную абсорбцию марганца в пламени ацетилен-воздух при длине волны 279,5 или 280,1 нм параллельно с градуировочными растворами.

Построение градуировочного графика:

В одиннадцать из двенадцати мерных колб вместимостью по 100 см³ помещают 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0 см³ стандартного раствора Б и 2,0; 2,5; 3,0; 3,5 и 4,0 см³ стандартного раствора А марганца. Во все колбы добавляют по 10 см³ 2 моль/дм3 раствора соляной кислоты и доливают водой до метки.

Измеряют атомную абсорбцию марганца, как указано выше. По полученным данным строят градуировочный график.

Обработка результатов.

Массовую долю марганца в процентах вычисляют по формуле:

Х = , %

где С - концентрация марганца, найденная по градуировочному графику, г/см³; V - объем конечного раствора пробы, см³; m - масса навески, содержащаяся в конечном объеме раствора пробы, г.

Но при отсутствии определенного оборудования, анализ своего сплава данным методом я не проводила.



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы мною были рассмотрены методы по определению марганца в бронзе. Из приведенных выше методов, я выбрала фотометрический метод и атомно - абсорбционный, исходя из содержания марганца в моем сплаве. Анализ атомно - абсорбционным методом не проводился, из-за отсутствия определенного оборудования.



Список используемой литературы

1. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 2 : Физико-химические методы анализа : учеб. для студ. вузов, обучающихся по химико-технол. спец. / В. П. Васильев. - 6-е изд., М. : Дрофа, 2007. - 383.

2. Аналитическая химия марганца. А.К. Лаврухина, Л.В. Юкина. М.: «Наука», 1974. -216.

3. Физико-химические методы анализа. Протасов Ю.М., Казак Е.В., Ивлев А.В. Учебное пособие. Кострома: КГТУ, 2004-52 с.

4. Тихонов В.Н, Додин Е.И. Анализ Металлов. Методические указания к лабораторным работам. Чебоксары ,1981 г. - 51 стр.

5. http://ru.wikipedia.ru

Размещено на Allbest.ru