Определение содержания железа +2 в керамических образцах

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования

«Могилевский государственный университет имени А.А. Кулешова»

Курсовая работа по аналитической химии Определение содержания железа +2 в керамических образцах Студентки Иванова Н.Д.

Научный руководитель Пахоменко А.Н.

Могилев 2012

Оглавление Введение

1. Виды содержания железа в природе

1.1 Формы содержания железа в природе

1.2 Содержание железа в глине

2. Пробы подготовки в анализе в твердых веществах и получение из природного сырья

2.1 Измельчение материала

2.2 Перевод железа (+2) в раствор

3. Методы определения железа в твердых материалах

3.1 Атомно-абсорбционный метод

3.2 Комплексонометрическое определение железа

3.3.1 Применение окислительно-восстановительного титрования

3.3.2 Пермангонатометрическое определение железа

3.3.3 Конечная точка титрования

4. Экспериментальная часть

4.1 Определение Fe2+ в керамических изделиях

4.2 Расчеты, полученные в результате опыта Заключение Список использованной литературы

Введение

При использовании глины для получения керамических изделий сырье подвергается обжигу при высокой температуре.

Глины содержат значительное количество примесей железа. При обжиге степень окисления железа переходит либо в + 3 либо в + 2, и это зависит от окислительной или восстановительной атмосферы в обжиговой печи. Для некоторых керамических изделий важно знать сколько железа + 2 содержится в них.

Исходя из этого перед нами была поставлена цель: Определить содержание железа + 2 в предоставленных керамических образцах.

Задачи:

изучить литературу отработать методику определения железа определить содержание железа в образцах железо керамический природа

1. Виды содержания железа в природе

1.1 Формы содержания железа в природе Железо — элемент, абсолютно необходимый для жизни растений, без железа не образуется хлорофилла. В почвах железо встречается в составе минералов группы ферросиликатов, в виде гидроокислов, окислов, простых солей, а также феррои ферриорганических комплексных солей. Основная масса железа содержится в хлоропластах в виде фитоферритина. Оно принимает участие в процессе дыхания, восстановлении молекулярного азота и нитратов до аммиака, катализирует начальные этапы синтеза молекулы хлорофилла. Недостаток железа проявляется в пожелтении (хлорозе) листьев и снижении интенсивности окислительно-восстановительных процессов. Усваивается железо растением в виде ионов Fe ^{2 +}, которые в воде могут находиться только в виде хелатных соединений. Однако растения в какой-то мере могут восстанавливать Fe ^{3 +} до Fe ^{2 +} на поверхности корней с помощью катализатора Fe-редуктолазы.

При избытке железа затрудняется усвоение фосфора и марганца, и могут появляться симптомы нехватки этих элементов.

Среднее содержание железа в почвах составляет 3,8%. В составе почв в зависимости от кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий железо может присутствовать в степени окисления + 3 и + 2. Принципиально возможно определение количества Fe (III) и количества Fe (II) в почвах, но, как правило, при проведении валового анализа определяют общее содержание железа в почвах.

Этот элемент присутствует в почве в составе как первичных, так и вторичных минералов, являясь компонентом магнетика, гематита, титаномагнетита, глауконита, роговых обманок, пироксенов, биотитов, хлоритов, глинистых минералов, минералов группы оксида железа. Много в почвах содержится и аморфных соединений железа, особенно разнообразных гидроксилов (гетит, гидрогетит и др.). Общее содержание в почве Fe₂O₃ колеблется в очень широких пределах (в %): от 0,5 — 1,0 в кварцево-песчаных почвах и 3 — 5 в почвах на лессах, до 8 — 10 в почвах на элювии плотных ферромагнезиальных пород и до 20 — 50 в ферраллитных почвах и латеритах тропиков.

1.2 Содержание железа в глине Глина представляет собою коллоидный пластический материал вторичного происхождения, образовавшийся в результате распада и разложения некоторых видов первичных пород. Основной составной частью всех глин является водный силикат алюминия; он содержит, хотя преимущественно в небольшом количестве, различные естественные примеси, главным образом щелочи (в связанном, несвободном состоянии), соединения железа (в значительной степени определяющие цвет глины); карбонат кальция, органические вещества (гумус), кварцевый песок и воду. Количество и род примесей и обусловливают характер глины. Глина, употребляемая в наше время в Египте для изготовления гончарных изделий, бывает в основном двух сортов. Первый из них — коричневого или черноватого цвета в сыром состоянии и коричневато-серого — в сухом — содержит сравнительно высокий процент органических веществ и железистых соединений, а также колеблющееся количество песка. Эта глина при обжиге становится коричневой или красной. Второй — коричневато — серого цвета в сыром состоянии и серого цвета — в сухом — содержит очень мало органического вещества, но довольно высокий процент карбоната кальция; эта глина, которую называют известковой, или мергелем, приобретает при обжиге серый цвет.

2. Пробы подготовки в анализе твердых веществ и получение из природного сырья.

2.1 Измельчение материала Материал, высушенный до постоянной массы, тщательно измельчаем в ступке для взятия точной навески.

2.2 Перевод железа (+2) в раствор В коническую колбу на 250 мл наливают 100 мл серной кислоты. Колбу закрывают пробкой с двумя отверстиями, в которые вставлены стеклянные трубки согнутые под прямым углом. Одна из трубок (по ходу газа) доходит до дна колбы, вторая кончается под пробкой. Длинную трубку присоединяют к аппарату Киппа с углекислым газом. Открыв кран у аппарата, пропускают поток углекислого газа через колбу в течении 3 мин. В это время отвешивают на сухом часовом стекле 1−1,5 г навески материала. Приоткрыв пробку, быстро всыпают навеску в колбу не прекращая поток газа. Содержимое колбы кипятят 30 мин, пропуская при этом углекислый газ. Затем снимают колбу и не прекращая поток газа ее охлаждают. После чего отсоединяют колбу от аппарата Киппа, прибавляют 150 мл дистиллированной воды.

3. Методы определения железа в твердых материалах

3.1 Атомно-абсорбционный метод Для количественного определения общего содержания железа в растворах, полученных при разложении почв, могут быть использованы разнообразные методы. Широко применяют атомно-абсорбционную спектроскопию, фотометрические методы и комплексонометрическое титрование.

Атомно-абсорбционный метод используют для определения валового содержания железа и оценки содержания отдельных групп его соединений в почвах. Железо атомно-абсорбционным методом может быть определено непосредственно в пламени воздух—ацетилен и воздух—пропан—бутан, если его концентрация близка или выше 1 мг/л. Растворы с более низкой концентрацией железа рекомендуется анализировать после концентрирования или непламенным вариантом атомно-абсорбционного метода с использованием графитовой кюветы.

Определение валового содержания железа проводят пламенным вариантом метода. При этом, как правило, приходится в десятки раз разбавлять растворы, полученные при разложении почвы. Атомно-абсорбционным методом железо обычно определяют при длине волны 248,3 нм.

3.2 Комплексонометрическое определение железа В основу этого метода определения положено образование окрашенного в красный цвет раствора роданида железа:

Fe³⁺+ 3SCN^-— Fe (SCN)₃. (1)

Это упрощенное уравнение. В действительности здесь образуется ряд железороданистых комплексов с разной интенсивностью окраски, поэтому непременным условием точного определения является прибавление большого и одинакового избытка реактива. Кроме того, реакция должна проходить в слабокислой среде во избежание гидролиза солей железа.

Приготовление стандартного раствора соли железа (III). Навеску 0,8640 г железо-аммонийных квасцов NH₄Fe (S0₄)₂ * 12Н₂0 растворяют в мерной колбе на 1 л примерно в 200—250 мл воды, добавляют 30 мл химически чистой серной кислоты (1: 5) и доводят объем водой до метки. Такой раствор содержит 0,1 мг железа в 1 мл. Если не имеется достаточно чистых и невывет-рившихся железо-аммонийных квасцов, раствор приготовляют приблизительной концентрации и определяют его точную концентрацию гравиметрически.

Приготовление 5 н. раствора роданида аммония NH₄SCN. 370 г роданида аммония растворяют в дистиллированной воде и разбавляют раствор до 1 л.

Определение методом стандартного ряда. 10 мл стандартного раствора соли железа (III), приготовленного заранее, помещают в мерную колбу на 100 мл и разбавляют водой до метки. Полученный раствор содержит 0,01 мг Fe в 1 мл раствора. Испытуемый раствор помещают в мерную колбу на 100 мл, разбавляют водой до метки и тщательно перемешивают. Берут 11 пробирок, в 10 из них помещают градуированной пипеткой новый разбавленный стандартный раствор в количестве 5,0; 4,5; 4,0; 3,5; 3,0; 2,5; 2,0; 1,5; 1,0; 0,5 мл; в одиннадцатую пробирку помещают 5 мл испытуемого раствора. В каждую пробирку добавляют 4 капли раствора НС1 (1:1) и 1мл (пипеткой) раствора роданида аммония NH4SCN. Содержимое каждой пробирки доводят водой до объема 10 мл и хорошо перемешивают.

Если работа ведется в простых пробирках, то после прибавления всех реактивов в каждую пробирку из бюретки добавляется такое количество воды, чтобы общий объем составил 10 мл. Сравнивают окраску полученного раствора с окраской растворов в пробирках шкалы. Если окраска исследуемого раствора совпадает с окраской раствора в какой-либо пробирке шкалы, то и концентрации этих растворов одинаковы. Если окраска исследуемого раствора интенсивнее, чем в одной из пробирок, но светлее, чем в соседней, то концентрацию исследуемого раствора можно считать средней между концентрациями растворов в этих пробирках.

Определение методом уравнивания окраски. В мерную колбу объемом 100 мл помещают 3 мл стандартного раствора соли железа (III), а в другую — испытуемый раствор. Затем в обе колбы добавляют воды до половины колбы, 10 капель соляной кислоты (1:1) и 2 мл 5 н. раствора роданида аммония NH₄SCN. Доводят содержимое водой до метки, закрывают пробкой и перемешивают, переворачивая колбу 12 раз.

Стандартный раствор наливают в цилиндр Генера и устанавливают определенную высоту столба (на середине цилиндра). В другой цилиндр наливают испытуемый раствор. Предварительно каждый цилиндр споласкивают тем окрашенным раствором, который будут в него наливать. Меняя высоту столба испытуемого раствора, уравнивают интенсивность окраски в обоих цилиндрах. Определяют высоту столба испытуемого раствора. Определение повторяют два раза и берут среднюю величину. По формуле рассчитывают количество железа в испытуемом растворе.

Определение на ФЭКе. В мерную колбу объемом 50 мл помещают точно отмеренное количество раствора неизвестной концентрации, 5 капель НС1 (1: 1), добавляют воды до половины колбы и 1 мл 5 н. раствора NH₄SCN. Доводят содержимое колбы водой до метки и перемешивают. Определяют оптическую плотность раствора на ФЭКе, как описано выше, применяя зеленый светофильтр. По градуировочной кривой определяют количество железа в испытуемом растворе.

3.3.1 Применение окислительно-восстановительного титрования Окислительно-восстановительное титрование основано на взаимодействии определяемого вещества со стандартным раствором окислителя или восстановителя. Чтобы титрование имело смысл, определяемое вещество перед началом титрования должно полностью существовать в единственной степени окисления. Для выполнения этого условия часто требуется вспомогательный окислитель или восстановитель.

На стадиях, предшествующих окислительно-восстановительному титрованию, определяемое вещество часто присутствует более чем в одной степени окисления. Например, если сплав железа растворить в кислоте, образуется смесь железа (II) и железа (III). Следовательно, перед тем как титровать железо, необходимо добавить реагент, который количественно переведет элемент либо в; двухвалентное состояние для титрования стандартным раствором окислителя, либо в трехвалентное состояние для титрования стандартным раствором восстановителя. Такой вспомогательный реагент должен обладать определенными свойствами. Он должен быть достаточно сильным окислителем или восстановителем, чтобы количественно перевести определяемое вещество в нужное состояние окисления, но при этом он не должен переводить другие компоненты раствора в состояние окисления, в котором они также реагируют с титрантом. Другое требование состоит в том, чтобы избыток реагента можно было легко удалить из раствора, так как он почти всегда мешает титрованию, реагируя со стандартным раствором. Так, реагент, который должен количественно перевести железо в двухвалентное состояние для титрования стандартным раствором перманганата, должен быть хорошим восстановителем. Если из раствора не удалить избыток реагента, оставшийся после восстановления, это неизбежно приведет к расходу перманганата.

3.3.2 Пермангонатометрическое определение железа Перманганат калия — сильный окислитель; это, вероятно, один из наиболее широко применяемых стандартных окислителей. Окраска раствора перманганата настолько интенсивна, что индикатор обычно не требуется. Реагент легкодоступен по умеренной цене. Существенным недостатком реагента является его способность окислять хлорид-ион, поскольку соляная кислота часто применяемый растворитель. Разнообразие возможных продуктов реакции может иногда приводить к неопределенности стехиометрии окисления перманганатом. Наконец, растворы перманганата не очень устойчивы.

Наиболее часто перманганат калия применяют в виде 0,1 н. или более концентрированных растворов в минеральных кислотах. В этих условиях продуктом реакции является ион марганца (II):

MnO₄^-+ 8Н⁺+ 5еMn²⁺ + 4Н₂0, Е⁰ = 1,51 В (2)

Хотя механизм образования марганца (II) часто сложен, окисление большинства веществ в кислых растворах протекает быстро. Заметным исключением является реакция со щавелевой кислотой, требующая повышенной температуры, и реакция с мышьяком (III), для протекания которой необходим катализатор.

В слабо кислых (рН>4), нейтральных или слабо щелочных растворах восстановление перманганата обычно протекает с участием трех электронов, и в результате образуется коричневый осадок диоксида марганца МпO₂. В этих условиях перманганатом можно оттитровать некоторые вещества: например, цианид окисляется до цианата; сульфид, сульфит и тиосульфат — до сульфата; марганец (II) — до диоксида марганца; гидразин — до азота.

Растворы марганца (III) неустойчивы из-за реакции диспропорционирования

2Mn³⁺ + 2Н₂О-MnО_{2 (тв.)} + Mn²⁺ + 4Н⁺ (3)

Однако ион марганца (III) образует несколько достаточно устойчивых комплексов, обусловливающих существование марганца в состоянии +3 в водных растворах. Лингейн использовал этот факт для титрования марганца (II) перманганатом в растворах с высокой концентрацией пирофосфат-иона; реакцию можно выразить уравнением

Mn О₄^-+ 4 Mn ²⁺ + 15Н₂Р₂0₇² — + 8Н⁺-5Mn (H₂P₂0₇)₃^3- ₊ 4Н₂О (4)

Титрование проводят в интервале рН 4—7.

3.3.3 Конечная точка титрования

Одним из наиболее очевидных достоинств перманганата калия является интенсивная фиолетовая окраска, которая обычно служит индикатором при титровании. Чтобы придать заметную окраску 100 мл воды, достаточно всего лишь 0,01—0,02 мл 0,02 М (0,1 н.) раствора. В случае очень разбавленных растворов перманганата конечную точку устанавливают по изменению окраски комплекса железа (II).

Окраска перманганата в конечной точке неустойчива и постепенно обесцвечивается в результате взаимодействия избытка перманганата с ионом марганца (II), присутствующим в конечной точке в относительно большом количестве:

2MnО₄^2- + ЗMn ²⁺ + 2Н₂О-5 MnО_{2 (тв.)} + 4Н⁺ (5)

Константа равновесия этой реакции (ее легко рассчитать из стандартных потенциалов двух полуреакций) имеет значение порядка 10⁴⁷. Таким образом, даже в сильно кислом растворе концентрация перманганата, сосуществующего в равновесии с ионом марганца (II), мала. К счастью, скорость установления этого равновесия тоже мала, поэтому окраска в конечной точке ослабляется постепенно.

Интенсивная окраска раствора перманганата осложняет измерение объемов реагента в бюретке. На практике часто более удобно за точку отсчета принимать поверхность жидкости, а не нижнюю часть мениска.

4. Экспериментальная часть

4.1 Определение Fe2+ в керамических изделиях В коническую колбу вместимостью 250 мл наливают 100 мл серной кислоты (1:4) добавляем известную навеску измельченного черепка и кипятим в защитной атмосфере углекислого газа.

Колбу закрывают пробкой с двумя отверстиями, в которые вставлены стеклянные трубки, согнутые под прямым углом. Одна из трубок (по ходу газа) доходит до дна колбы, вторая кончается под пробкой. Длинную трубку присоединить к биологической пробирке с СaCO₃. Прилив к мрамору соляной кислоты, пропускают поток углекислого газа через колбу в течение 3 мин.

В это время отвешивают на сухом часовом стекле 1−1,5 г навески материала, находящегося в воздушно-сухом состоянии. Приоткрыв пробку, быстро всыпают навеску в колбу. Не прекращая тока газа, взвешивают стекло и по разности определяют массу навески. Содержимое колбы кипятят 30 мин, пропуская при этом ток углекислого газа. Затем снимают колбу с плитки и, не прекращая тока газа, охлаждают содержимое колбы.

После снимают пробку, прибавляют 150 мл свежепрокипяченной холодной воды и титруют раствором марганцовокислого калия (перманганатом калия) до розового цвета, не исчезающего в течение 20 — 30 с. Метод основан на кислотном разложении анализируемой пробы в потоке углекислого газа с последующим титрованием двухвалентного железа перманганатом калия).

4.2 Расчеты, полученные в результате опыта

· Керамика № 22 (неолит (с 6 — по 2 тыс. до н. э.) ст. Дедин) (темного цвета)

V₁ = 2,52 мл

V₂ = 2,56 мл

V₃ = 2,54 мл.

V_ср = 2,54 мл.

С_н(Fe²⁺) = = 0,5 588

С_м(Fe²⁺) = = 0,2 794

n (Fe²⁺) = 0,2 794 • 0,25= 0,6 985

m (Fe²⁺) = 0,6 985 • 55,845 = 0,0390

W (Fe²⁺)= • 100% = 2,7%

W (Fe₂O₃) = 3,86%

· Керамика № 16 (кон. 2 — нач. 1 тыс. до н.э.) (светло-коричневого цвета)

V₁ =1,05 мл

V₂ = 1,07 мл

V₃ = 1,07 мл.

V₄ = 1,06 мл

V_ср = 1,06 мл С_н(Fe²⁺) = = 0,2 332

С_м(Fe²⁺) = = 0,1 166

n (Fe²⁺) = 0,1 166 • 0,25= 0,2 915

m (Fe²⁺) = 0,2 915 • 55,845 = 0,1 628

W (Fe²⁺)= • 100% = 1,15%

W (Fe₂O₃) = 1,64%

· Керамика № 14 (неолит (с 6 — по 2 тыс. до н. э.)Черное). (светло-коричневого цвета с черными пятнами)

V₁ = 1,64 мл

V₂ = 1,66 мл

V₃ = 1,67 мл.

V_ср = 1,66 мл С_н(Fe²⁺) = = 0,365

С_м(Fe²⁺) = = 0,1 826

n (Fe²⁺) = 0,1 826 • 0,25= 0,4 565

m (Fe²⁺) = 0,4 565 • 55,845 = 0,0255

W (Fe²⁺)= • 100% = 1,72%

W (Fe₂O₃) = 2,46%

· Керамика № 13 (неолит (с 6 — по 2 тыс. до н. э.)Рудня-1) (на внешнем слое светло коричневого цвета, внутренний слой темно-серый)

V₁ = 0,71 мл

V₂ = 0,69 мл

V₃ = 0,69 мл.

V₄ = 0,70 мл

V_ср = 0,698 мл С_н(Fe²⁺) = = 0,154

С_м(Fe²⁺) = = 0,77

n (Fe²⁺) = 0,77 • 0,25= 0,1 925

m (Fe²⁺) = 0,1 925 • 55,845 = 0,1 075

W (Fe²⁺)= • 100% = 0,75%

W (Fe₂O₃) = 0,92%

· Керамика № 55 ((2011 г.) Чауская ШР) (коричневато-желтого цвета)

V₁ = 0,08 мл

V₂ = 0,09 мл

V₃ = 0,08 мл

V_ср = 0,08 мл С_н(Fe²⁺) = = 0,176

С_м(Fe²⁺) = = 0,88

n (Fe²⁺) = 0,88 • 0,25= 0,22

m (Fe²⁺) = 0,22 • 55,845 = 0,123

W (Fe²⁺)= • 100% = 0,08%

W (Fe₂O₃) = 0,1%

Заключение

В результате нашей работы был проведен обзор литературы.

Отработана методика определения железа +2.

Определены значения содержания железа в представленных образцах.

1. Алексеев В. Н. Количественный анализ. Под ред. д-ра хим. наук П. К. Агасяна. Издание 4-е, перераб. М., «Химия». 1972. 504 е.; 24 табл.; 76 рис.;

2. Васильев В. П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 1 Гравиметрический и тиртриметричейкий методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец вузов — М.: Высш.шк. 1989. — 302 сл.: ил.;

3. Е. Данкевич, О. Жакова. Знакомьтесь, глина. С.-П. Кристалл. 1998.