DE2001012C3 - Elektrochemisches Verfahren zur Bestimmung von metallischem Calcium in Blei-Calcium-Legierungen - Google Patents
Elektrochemisches Verfahren zur Bestimmung von metallischem Calcium in Blei-Calcium-LegierungenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrochemisches Verfahren zur Bestimmung von metallischem Calcium
in Blei-Calcium-Legierungen.
Für wartungsfreie Bleiakkumulatoren werden Plattengitter benötigt, die frei sind von Legierungsbestandteilen,
welche aufgrund ihrer elektrochemischen Eigenschaften die Entwicklung von Wasserstoff begünstigen,
wie das z. B. bei dem vielfach verwendeten Antimon als Legierungsbestandteil von Plattengittern der Fall ist.
Eine in dieser Beziehung unschädliche Legierungskomponente ist Calcium, wobei schon Anteile in der
Größenordnung von 0,07 bis 0,1 Gewichts-% im Gitterblei ausreichen, um eine genügende Härtung der
Gitter herbeizuführen.
Schwierig ist jedoch bei der Herstellung von Blei-Calcium-Plattengittern das genaue Einhalten vorgegebener
Toleranzen des Calciumgehaltes, da in einer Blei-Calcium-Schmelze bei Anwesenheit von geringen
Mengen Sauerstoff das metallische Calcium ständig zu Calciumoxid oxidiert und die Schmelze daher an
Calcium verarmt. Diese Calciumverluste müssen durch Auflegieren wieder ersetzt werden, damit der Calciummetallgehalt
stets in den vorgegebenen Grenzen bleibt und dadurch eine gleichmäßige Qualität der Gitterlegierung
gewährleistet ist.
Dieses Auflegieren kann nur aufgrund genauer Analysen des Gehalts an metallischem Calcium
erfolgen.
Die üblichen naßchemischen Analysenverfahren bedingen bei der geforderten Genauigkeit und bei den
geringen Gehalten an Calcium einen Zeitaufwand von ca, einer Stunde, während die wesentlich schneller
arbeitenden physikalischen, vorwiegend spektroskopischen Verfahren einen für die Fertigung zu großen
apparativen Aufwand erfordern. Bei diesem Verfahren läßt sich zudem nur die Summe von Ca (metallisch) +
Ca (oxidisch) ermitteln.
Es sind darüber hinaus auch elektrochemische Verfahren zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes von
Metallen bekannt (DE-AS 12 96 834; Archiv für das Eisenhüttenwesen, 37. Jg., Heft 9,1966, Seiten 697 - 700),
die auf der EMK-Messung mittels einer Festelektrolyt-Meßkette
beruht. Diesen Literaturstellen ist jedoch nicht zu entnehmen, daß mit diesem Verfahren auch der
Calcium-Gehalt von Bleischmelzen bestimmt werden kann, noch dazu in einem so geringen Anteil von 0,07 bis
ca. 0,1 Gewichts-%, wie er in Blei-Calcium-Gittern von
Akkumulatoren enthalten ist, und der Analytiker weiß, wie schwierig und aufwendig die Bestimmung insbesondere
solch kleiner Legierungsbestandteile ist, noch dazu, wenn es sich um so oxidationsempfindliche Legierungsbestandteile handelt wie im Falle von Calcium.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Entwick-
> lung eines Verfahrens, das eine einfache, exakte und
schnelle Bestimmung des Calciummetall-Gehaltes in einer Blei-Calcium-Legierung gestattet und das direkt
am Ort der Fertigung durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch
ίο gelöst, daß die zu untersuchende Blei-Calcium-Legierung
zu der Sauerstoff unterhalb der Sauerstoffsättigungsgrenze enthaltenden Bleischmelze gegeben wird,
wobei die sich einstellende elektromotorische Kraft EMK einer Hochtemperatur-Festkörper-Meßkette ein
is Maß für den Calciummetallgehalt der Blei-Calcium-Legierung
darstellt.
Als Festkörperelektrolyt dient dabei ein im wesentlichen aus Zirkondioxid bestehendes, einseitig geschlossenes
Rohr. Als Bezugselektrode wird eine nicht
ίο polarisierbare Elektrode in Form einer mit Luft
umspülten Platinschicht verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem folgenden Prinzip: In einer Schmelze von Rein-Blei ist
Sauerstoff bis zu einem Sättigungswert, der von der Temperatur der Schmelze abhängt, löslich. Gibt man zu
der Schmelze einen Stoff, der eine größere Affinität zum Sauerstoff hat als das Blei, so entreißt dieser Stoff der
Bleischmelze den gelösten Sauerstoff und verbindet sich mit ihm zu einem unter den herrschenden Bedingungen
beständigen Oxid, das je nach den Umständen aus der homogenen Phase ausfällt und einen Bodenkörper
bildet. Bestimmt man nun den Sauerstoffgehalt vor und nach der Zugabe der Blei-Calcium-Legierung zur
Bleischmelze, so erhält man gleichzeitig ein Maß für die Menge des zugegebenen Calciums, das sich zum
Zeitpunkt der Analyse noch in metallischer Form in der Blei-Calcium-Legierung befand, während der Teil, der
bereits in Calciumoxid umgewandelt war, unberücksichtigt bleibt.
Grundlage der Anordnung zur erfindungsgemäßen Bestimmung des metallischen Calciums in einer
Blei-Calcium-Legierung ist die galvanische Hochtemperatur-Festkörperkette:
Pt, Luft (p() = 0,21 at)/ZrO2 (+ CaO)/
Pb(fl)(+O(gelöst)j (I)
Auf der einen Seite des stabilisierten Zirkondioxides als Festkörperelektrolyt befindet sich das flüssige Blei,
das eine bestimmte Menge Sauerstoff in gelöster Form enthält, während sich auf der anderen Seite eine
praktisch nicht polarisierbare Elektrode, z. B. eine von Luft umspülte, poröse Platinschicht befindet.
ss Der Zusammenhang zwischen der Konzentration des gelösten Sauerstoffs und der elektromotorischen Kraft
(EMK) der galvanischen Festkörperketle (I) ist durch die folgende Gleichung gegeben:
In
Lo. s
2/·
RT
(U - Ux),
wobei
die Konzentration des gelösten Sauerstoffs,
, s die Konzentration des gelösten Sauerstoffs, wenn das flüssige Blei sich im Gleichgewicht mit PbO befindet, d. h. bei Sättigung,
, s die Konzentration des gelösten Sauerstoffs, wenn das flüssige Blei sich im Gleichgewicht mit PbO befindet, d. h. bei Sättigung,
F die Faradaykonsianie,
T die absolute Temperatur,
ι? die allgemeine Gaskonstante,
U die EMK der Kette I bei der Sauerstoffkonzentration
co und
Us die EMK der Kette (I) bei der Sauerstoffsättigungskonzentration
co, sbedeutet.
Die Gleichung (1) gilt unter der Voraussetzung, daß Konzentration und Aktivität des Sauerstoffs in der
Bleischmelze proportional j/pö7 ist, wobei po, den
Sauerstoffpartialdruck über der Schmelze angibt.
In Fig. 1 ist der Zusammenhang zwischen der experimentell bei 600° C bestimmten Sauerstoffkonzentration
in der Bleischmelze und der EMK »U«der Kette
(I) dargestellt Auf der Abszisse ist die Oo in Gewichts-%,
auf der Ordinate die EMK »U« in mV aufgetragen. Der Kurvenablauf wird gut durch die oben angegebene
Gleichung (1) erfaßt. Die Sauerstoffkonzentration wurde durch mengenmäßig definierte Zugaben von
Blei(H)-oxid erhöht. Die Sättigungs-EMK Us wird bei einer Sauerstoffkonzentration Co. s = 0,0024 Gewichts-%
Sauerstoff erreicht.
Wenn man nun einer Bleischmelze, die nicht mit Sauerstoff gesättigt ist, d. h. bei der der EMK-Wert der
Kette (I) bei 6000C, absolut gerechnet, größer als
633 mV ist, eine Blei C alcium-Legierung zugibt, so ist
die Änderung der EMK »U« zunächst ein Maß I Jr die
verbrauchte Sauerstoffmenge, zugleich aber auch ein Maß für die in der Legierung enthaltene Calciummetallmenge.
Der Calciummetallgehalt einer Bleischmelze kann auch ohne den Umweg über den Sauerstoffgehalt der
Schmelze bestimmt werden. Dabei treten jedoch so hohe EM K-Werte auf, daß als Festkörperelektrolyt
verwendete Zirkondioxid keinen reinen lonenleiter mehr darstellt, sondern bereits in den Bereich eines
Elektronenleiters übergeht, wodurch die Meßergebnisse verfälscht werden. Steht dagegen ein Festkörperelektrolyt
aus dotiertem Thoriumdioxid zur Verfügung, so läßt sich die direkte Calciummetallbestimmung mit Hilfe
der Hochtemperatur-Festkörper-Meßkette
Pt, Luft (pOi = 0,21 at)/ThO2(+ LaO15)/
(Pb + Ca)(fl) (II)
durchführen. Die Durchrechnung ergibt für den Zusammenhang zwischen der Calcium-Konzentration
und der EMK die Kette (II) unter der Voraussetzung kleiner Calciumkonzentrationen, wie sie bei den zu
untersuchenden Proben in der Regel vorliegen, eine der Gleichung(1) ähnliche Beziehung:
In
LCa. S
= -~ \niUs-U).
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun im vorliegenden Ausführungsbeispiel näher beschrieben
werden. Zu diesem Zweck zeigt
F i g. 2 einen Schnitt durch die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzte Apparatur. In
Fig. 3 sind die mit der in F i g. 2 dargestellten Apparatur gemessenen EMK-Werte in Abhängigkeit
vom Calciumgehalt aufgezeichnet.
Die Apparatur nach Fig. 2 besteht aus einem
elektrisch geheizten, senkrecht gestellten Ofen 1 mit einer Länge von 500 mm und einem Innendurchmesser
von 50 mm. In dem Ofen 1 befindet sich ein einseitig
geschlossenes Rohr 2 aus Aluminiumoxid, das flüssiges, sauerstoffhaltiges Blei 3 enthält. In das Flüssige Blei 3
taucht ein gasdichtes, einseitig geschlossenes Zirkon-
s dioxidrohr 4 von 400 mm Länge, 5 mrn Innendurchmesser
und 1 mm Wanddicke ein, das aus 85 Gewichts-% ZrO2 und 15 Gewichts-% CaO besteht Der Boden und
die Innenwand des geschlossenen Rohrendes sind mit einer eingebrannten Schicht von Polierplatin 5 bedeckt.
ίο Ein Rohr 6 aus Aluminiumoxid zum Einblasen von Luft
ist in das Rohr 4 hineingesteckt Luft und Platin zusammen ergeben die praktisch nicht polarisierbare
Bezugselektrode mit einem konstanten Sauerstoffpartialdruck von 0,21 at. Die Strömungsgeschwindigkeit
is der Luft während der Messung beträgt ca. 12 l/h. In das
Rohr <i ist ein Pt-Pt/10% Rh-Thermoelement 7 bis auf
den Boden des Rohres 4 eingeführt und die Lötstelle des Thermoelementes 7 mit der Platinschicht 5 in leitende
Verbindung gebracht. Bei dieser Anordnung dient das Thermoelement 7 zur Messung der Temperatur der
Luft-Elektrode und sein Platinschenkel als elektrische Zuleitung zur Luftelektrode.
Die Temperatur der Bleischmelze wird mit einem zweiten Pt-Pt/10% Rh-Thermoelement 8 gemessen, das
2s von einem einseitig geschlossenen Schutzrohr 9 aus
Aluminiumoxid umgeben ist und in die Bleischmelze 3 hineinragt.
Die elektrische Zuleitung zur Bleischmelze 3 besteht aus einem Iridiumdraht 10, dessen Löslichkeit in
ίο flüssigem Blei nur sehr gering ist. Zum Ausgleich von
Thermospannungen gegenüber der nur aus Platin bestehenden Zuleitung der Luftelektrode wird der
Iridiumdraht 10 möglichst kurz gehalten und innerhalb der heißen Zone des Ofens 1 mit einem Platindraht 11
verbunden. Die elektrische Zuleitung 10/11 ist von einem Rohr 12 aus Aluminiumoxyd umgeben, das kurz
oberhalb des Spiegels der Bleischmelze endet und gleichzeitig dazu dient, den Gasraum oberhalb des
flüssigen Metalls mit Argon zu spulen, das zuvor mit
Hilfe von dehydratisiertem Magnesiumperchlorat und Titanschwamm bei 9300C getrocknet und gereinigt
wurde.
Für die Bleischmelze 3 verwendet man Rein-Blei mit mindestens 99,99% Pb. Der Sauerstoff wird in die
Schmelze in Form von Blei(II)-oxid eingebracht, wobei aber darauf zu achten ist, daß die Sauerstoffsättigungsgrenze
der Bleischmelze nicht erreicht wird. Über der Sauerstoffsättigungsgrenze befindet sich neben dem
Blei Blei(II)-oxid in der Schmelze, welches Sauerstoff in dem Maße nachliefert, als er, z. B. durch Zugabe von
metallischem Calcium in Form einer Blei-Calcium-Legierung
verbraucht wird. Dabei ändert sich die EMK der Kette nicht, da der Sauerstoffgehalt der Schmelze so
lange konstant bleibt, wie Blei(II)-oxid neben Blei in ihr
ss enthalten ist.
Es ist auch möglich, vor einer Calcium-Bestimmung gasförmigen Sauerstoff mit Hilfe einer Fritte in die
Bleischmelze einzuleiten.
Die EMK der Hochtemperatur-Festkörper-Meßkette
Die EMK der Hochtemperatur-Festkörper-Meßkette
ho wird vorzugsweise stromlos mit einem Präzisions-Millivoltmeter
mit hochohmigem Eingang gemessen.
Zur Bestimmung von metallischem Calcium in einer Blei-Calcium-Legierung mit Hilfe der oben beschriebenen
Vorrichtung geht man wie folgt vor:
(>5 Nach dem Aufheizen der Apparatur auf 600' C wird
so viel Blei(II)-oxid zur Bleischmelze 3 gegeben, daß das Millivoltmeter eine EMK größer als 633 mV, also z. B.
640 mV anzeigt. Dann gibt man eine abgewogene
Menge der zu untersuchenden Blei-Calcium-Legierung
in die Schmelze, liest nach ca. einer Minute den sich einstellenden Spannungswert auf dem Millivoltmeter ab
und kann nun aus der Differenz der Ablesungen vor und nach der Zugabe der Blei-Calcium-Legierung anhand *
einer Eichkurve die Calciummetallmenge ausrechnen, die man zugegeben hat. Mit Hilfe des Gewichtes der
zugegebenen Legierung läßt sich daraus dann der Calciumgehalt der Legierung errechnen.
In Fig. 3 ist eine solche Eichkurve wiedergegeben. iu
Auf der Abszisse ist der Calciummetallgehalt in Gewichts-%, auf der Ordinate die zugehörige EMK»U«
in mV aufgetragen. Nach jeder Messung wurde der Calciumgehalt auf herkömmliche Weise analytisch
bestimmt. Aufgrund einer derartigen Kurve läßt sich die tj
Skala des Millivoltmeters z. B. in Milligramm Calcium eichen, so daß man dann den Calciumgehalt der
Legierung nur noch aus der angezeigten Menge Calcium und der Einwaage der Legierung zu berechnen
hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß man ohne großen apparativen Aufwand innerhalb
weniger Minuten ein Analysenergebnis des Calciummetallgehaltes einer Blei-Calcium-Legierung erhält und so
in die Lage versetzt wird, aufgrund dieser Analysen den Calciummetallgeha!'. einer Legierung praktisch konstant
zu halten und damit eine gleichmäßige Qualität der aus der Legierung gegossenen Gitter, z. B. für
wartungsfreie Bleiakkumulatoren, zu garantieren und den Ausschuß auf einer minimalen Quote zu halten.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Elektrochemisches Verfahren zur Bestimmung von metallischem Calcium in Blei-Calcium-Legierungen durch Messung des Sauerstoffgehaltes einer Bleischmelze mitteis einer Hochtemperatur-Festkörper-Meßkette, deren eine Halbzelle die Bleischmelze darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Blei-Calcium-Legierung zu der Sauerstoff unterhalb der Sauerstoffsättigungsgrenze enthaltenden Bleischmelze gegeben wird, wobei die sich einstellende elektromotorische Kraft EMK ein Maß für den Calciummetallgehalt der Blei-Calcium-Legierung darstellt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19702001012 DE2001012C3 (de) | 1970-01-10 | 1970-01-10 | Elektrochemisches Verfahren zur Bestimmung von metallischem Calcium in Blei-Calcium-Legierungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19702001012 DE2001012C3 (de) | 1970-01-10 | 1970-01-10 | Elektrochemisches Verfahren zur Bestimmung von metallischem Calcium in Blei-Calcium-Legierungen |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2001012A1 DE2001012A1 (de) | 1971-07-15 |
DE2001012B2 DE2001012B2 (de) | 1977-09-15 |
DE2001012C3 true DE2001012C3 (de) | 1978-05-11 |
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ID=5759370
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19702001012 Expired DE2001012C3 (de) | 1970-01-10 | 1970-01-10 | Elektrochemisches Verfahren zur Bestimmung von metallischem Calcium in Blei-Calcium-Legierungen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2001012C3 (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3109454A1 (de) * | 1981-03-12 | 1982-09-23 | Schott Glaswerke | Sonde zur messung von sauerstoffpartialdruecken in hochaggressiven medien |
DE19623683C1 (de) * | 1996-06-14 | 1997-11-13 | Heraeus Electro Nite Int | Vorrichtung zur Durchführung von elektrochemischen Messungen in Glas- oder Salzschmelzen |
-
1970
- 1970-01-10 DE DE19702001012 patent/DE2001012C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2001012B2 (de) | 1977-09-15 |
DE2001012A1 (de) | 1971-07-15 |
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