DE878287C - Verfahren zur quantitativen potentiometrischen Bestimmung von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff - Google Patents

Verfahren zur quantitativen potentiometrischen Bestimmung von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff

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DE878287C
DE878287C DEO1539A DEO0001539A DE878287C DE 878287 C DE878287 C DE 878287C DE O1539 A DEO1539 A DE O1539A DE O0001539 A DEO0001539 A DE O0001539A DE 878287 C DE878287 C DE 878287C
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potentiometric determination
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Georg Dr Phil Graue
Hans Haase
Willy Dr Phil Habil Oelsen
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/42Measuring deposition or liberation of materials from an electrolyte; Coulometry, i.e. measuring coulomb-equivalent of material in an electrolyte
    • G01N27/44Measuring deposition or liberation of materials from an electrolyte; Coulometry, i.e. measuring coulomb-equivalent of material in an electrolyte using electrolysis to generate a reagent, e.g. for titration
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Description

  • Verfahren zur quantitativen potentiometrischen Bestimmung von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff Die chemische Industrie, die eisenschaffendea Betriebe und die Forschung benötigen Methoden zur schnellen und qantitativen Bestimmung von Kohlenstoff. So fallen z. B. bei der Synthese und Isolierung von Naturstoffen oft nur wenige Milligramm Substanz an. Auch im Stahlwerks muß der lsohlenstoffgehalt des Stahls ohne Zeitverlust und quantitativ festgestellt werden. Das geschah bisher in der ÄVeise, daß nach Verbrennung der Stahlspäne die entstandene Kohlensäure volumetrisch gemessen wurde. Diese Methode ist aber stark subjektiven Einflüssen unterworfen und wird außerdem für den technisch sehr wichtigen Fall sehr kleiner Koblenstoffgehalte ungenau. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich bei schwer verbrennlichen Sul,stanzen, wie Ferrochrom, weil das volumetrische Verfahren der für die Verbrennung verfügbaren Sauerstoffmenge eine durch die Apparatur bestimmte Grenze setzt. Die Anwendung von Fällungsreaktionen, wie etwa die Fällung der Kohlensäure als Bariumcarbonat, war bisher wegen der erforderlichen Filtration unter Luftabschluß umständlich und zeitraubend.
  • Das Verfahren nach der Erfindung geht davon aus, daß die bei der Verbrennung einer kohlenstoffhaltigen Substanz gebildete Kohlensäure in einer geeigneten Apparatur unter bestimmten Bedingungen in eine barythaltige Absorptionslösung geleitet wird, mit der sie unter Bildung von Bariumcarbonat reagiert. An sich ist diese Reaktion bekannt, doch war es bisher nicht möglich, sie potentiometrisch messend zu verfolgen, da sich die Konzentration der Wasserstoff- bzw. Hydroxylionen nur sehr wenig ändert, wenn man in der üblichen Weise Kohlensäure in eine stark alkalische Barytlauge einleitet. Die eintretende Potentialänderung einer eingetauchten Platinelektrode bleibt dann sehr klein. Man war daher gezwungen, das gefällte Bariumcarbonat zu filtrieren und seine-Menge durch Wägung oder nach Wiederauflösen durch Titration zu bestimmen. Voraussetzung für eine solche Arbeitsweise ist natürlich, daß die zur Absorption verwendete Barytlauge frei von gefälltem Bariumcarbonat ist, was eben zu dem umständlichen Arbeiten unter Luftabschluß führt.
  • Das Verfahren nach der Erfindung führte zu dem überraschenden Erfolg, daß unter geeigneten Bedingungen die quantitative Bestimmung von Kohlenstoff auf Ider Grundlage der Carbonatfällung maß analytisch mit potentiometrischer Anzeige des Ablaufes der Reaktion durchzuführen ist, und zwarohne besonderen Abschluß der Außenluft und auch ohne daß die zur Absorption dienende Barytlauge frei von ausgefallenem Bariumcarbonat sein müßte.
  • Der technische Fortschritt besteht vor allem darin, daß einmal die Kohlenstoffbestimmung in der kurzen Zeit von 3 Minuten durchgeführt werden kann, zweitens die Absorptionslösung mehr als 4omal zu verwenden ist, drittens, was für schwerverbrennliche Substanzen wichtig ist, die Sauerstoffmenge für die Verbrennung beliebig groß sein kann, viertens der Ablauf und das Ende der Verbrennung genau zu erkennen ist, fünftens die Apparatur sehr einfach und auch einfach zu bedienen ist und sechstens die Genauigkeit und Empfindlichkeit so groß ist, daß z. B. in einem Sonderstahl mit nur 0,003 ovo C die Bestimmung auf + 0,OOOI °/o C möglich ist.
  • Der Sauerstoffstrom, der die Kohlensäure enthält, wird in an sich bekannter Weise durch eine Glasfritte (s.Beschreibung der Apparatur) gedrückt und in feinen Bläschen durch eine Lösung getrieben, die nur sehr wenig Baryt und/oder andere zum Umsatz mit der Kohlensäure geeignete Stoffe enthält. DieAbsorptionslösung ist eine Bariumchloridlösung, der nur so wenig Natronlauge zugefügt wird, daß eine eingetauchte Platinelektrode bei Gegenwart von ein wenig Wasserstoffsuperoxyd gegen die I-n-Kalomelelektrode keine Spannung zeigt. Wenn in entsprechender Weise auch andere Bezugselektroden möglich sind, so ist aber die als Umschlagselektrode dienende ;Kalomelelektrode besonders günstig, weil unter diesen Bedingungen das Bariumcarbonat gerade quantitativ ausfällt, zugleich eine entsprechend starke Konzentrationsänderung der Lösung eintritt und dementsprechend eine erhebliche Änderung des Potentials der Platinelektrode.
  • Wenn die vorgelegte Barytlauge nicht ausreicht, um die gesamte Kohlensäure zu binden, was sofort am Ausschlag des Galvanometers zu erkennen ist, so wird durch Zufügen von weiterer Lauge, was zugleich die Titration der Kohlensäure bedeutet, das Potential der Platinelektrode und damit die Alkalität der Lösung so gehalten werden, das schließlich trotz der zunächst kleinen Vorlage doch alle Kohlensäure aufgenommen wird.
  • Die Rücktitration der verbrauchten Lauge kann durch Zusatz eingestellter Barytlauge aus einer Bürette oder auch dadurch erfolgen, daß in der Absorptionslösung durch elektrischen Strom an einer Kathode Lauge erzeugt wird. In diesem Fall wird an Stelle der Bürette eine Elektrolysiereinrichtung von oben in das Absorptionsgefäß gehängt, die durch Zersetzen eines Leitsalzes, wie Bariumchlorid, an der Kathode Hydroxyd in die Lösung bringt. Die Menge der so gebildeten und durch die Kohlensäure verbrauchten Lauge ergibt sich aus der durch die Elektrolysiervorrichtung geflossenen Strommenge entsprechend dem Faradayschen Gesetz der Elektrolyse.
  • Zeigt das Galvanometer der potentiometrischen Anordnung an, daß keine Kohlensäure mehr in das Absorptionsgefäß gelangt, so wird durch Zugabe weiterer Lauge oder elektrolytisch ganz auf den Ausschlag Null zurücktitriert und die insgesamt verbrauchte Menge festgestellt. Daraus ergibt sich dann nach entsprechender Eichung der Kohlenstoffgehalt der verbrannten Probe.
  • Die Absorptionslösung ist, da sich ihre Zusammensetzung grundsätzlich nicht geändert hat, nach Abschluß einer Titration sofort wieder brauchbar, dås ausgefallene Bariumcarbonat stört nicht.
  • Die Verschiebung des Nullpunktes der potentiometrischen Anordnung bei etwas stärker alkalischer Absorptionslösung läßt sich in bekannter Weise recht bequem mit einer einfachen Potentiometerschaltung vornehmen (s. Beschreibung der Apparatur). Erforderlich wird dies, wenn man höhere Kohlenstoffmengen, z. B. Stähle mit mehr als 0,2 °/o C, bestimmen will, da dann die vorgelegte Lösung etwas stärker alkalisch sein muß.
  • Das neue Verfahren ist besonders für sehr kleine Kohlenstoffgehalte geeignet. Die Genauigkeit betrug bei Serienuntersuchungen eines Stahls mit 0,029 °/o Kohlenstoff und Einwaagen zwischen o,3 und I,5 g in der Regel + 0,OOI °/o C. Bei Wahl empfindlicher Meßgeräte ist eine weitere Steigerung der Genauigkeit möglich.
  • Die gesamte Bestimmung läßt sich grundsätzlich auch mit Schreibgeräten aufzeichnen und weitgehend so gestalten, daß die Apparatur selbsttätig arbeitet.
  • Sauerstoff und Wasserstoff Auf grundsätzlich die gleiche Weise können auch Sauerstoff und Wasserstoff bestimmt werden. Der Sauerstoff wird in einer Stickstoffatmosphäre in bekannter Weise bei etwa Io00'°t mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxyd umgesetzt und dieses weiter zu Kohlensäure oxydiert, deren Bestimmung wie oben erfolgt. Wasserstoff wird zu Wasser verbrannt, das wieder über einen sKohlekontakt geleitet wird, so daß sich Kohlenoxyd bildet. Dieses wird wie oben oxydiert und bestimmt, Es ist also möglich, Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff über die Fällung als Bariumcarbonat in der gleichen Apparatur mit nur geringen Zusatz- einrichtungen durch potentiometrische Titration quantitativ zu bestimmen.
  • Anwendungsbeispiel In das Absorptionsgefäß werden 100 ml einer Lösung gefüllt, die im Liter IOg Bariumchlorid, 5 ml Alkohol und 0,5 ml Wasserstoffsuperoxyd (370/ig) enthält. Das stark nach sauer ausschlagende Galvanometer wird durch Zugabe einer Lauge oder elektrolytisch auf den Nullpunkt zurückgebracht. Verbrennungsrohr, Schiffchen und als Zuschlag dienendes Kupferoxyd werden vor Beginn ausgeglüht. Blindwerte der Apparatur sind am liussdllagr des Galvanometers zu erkennen. Sind sie beseitigt und steht das Potential endgültig auf Null, so wird die zu untersuchende Probe in üblicher Weise im Sauerstoffstrom verbrannt. Dabei entstehende störende Verbindungen, wie 5 Oi, werden abgefangen. Sobald die erste Kohlensäure mit dem Sauerstoffstrom in die Absorptionsapparatur gelangt und dort reagiert, schlägt das Galvanometer aus. Wird der Ausschlag zu groß, was anzeigt, daß die vorgelegte Lauge schnell verbraucht wird, so gibt man aus einer Mikrobürette Lauge mit bekanntem Titer hinzu, so daß immer genug freies Baryt in der Lösung ist, um alle Kohlensäure zu binden. Zum Schluß wird auf den Ausschlag Null des Galvanometers titriert und die insgesamt verbrauchte Lauge abgelesen.
  • Statt mit eingestellter Lauge kann man auch elektrolytisch titrieren. Dazu wird in das Absorptionsgefäß eine Elektrolysiereinrichtung gehängt (s. Beschreibung der Apparatur). Die mit ihr erzeugte Barytlauge wird zur Titration benutzt. Nach dem Faradayschen Gesetz werden zur Bildung eines Äquivalentes Lauge 96500 Coulomb benötigt.
  • Da zwei Äquivalente Lauge I Mol Kohlensäure neutralisieren oder als Bariumcarbonat fällen, gilt zumal Iiohlenstoff = I2mal Strommenge (Coulomb) mg Kohlenstoff zumal 96,5 2mal 96,5 Beschreibung der Apparatur (dazu zwei Abbildungen: I. Absorptionsgefäß, 2. Elektrolysiereinrichtung) Der wesentliche Teil der Apparatur ist das Absorptionsgefäß (Abb. I), ein Glasgefäß von etwa I50 ml Inhalt, in das unten eine feinporige Glasfritte I eingesetzt ist. Durch diese wird der mit Kohlensäure beladene Sauerstoffstrom in sehr feinen Bläschen in die Absorptionslösung 2 gedrückt. Im Gefäß ablaufende Reaktionen werden potentiometrisch verfolgt. Dazu ist etwa in halber Höhe eine Platinelektrode 3 eingeschmolzen, der das Diaphragma eines auswechselbaren Stromschlüssels 4 gegenübersteht. Dieser verbindet mit einer Bezugs- bzw. Umschlagselektrode, z. B. einer I- n-Kalomelelektrode, und für höhere Kohlenstoffgehalte mit einer Potentiometerbrücke. Sie ermöglicht es, Spannungen zu kompensieren, die zwischen der Absorptionslösung und der Bezugselektrode auftreten bzw. die Einstellung des Nullpunktes stören, und den Nullpunkt zu verschieben.
  • Eine Mikrobürette gestattet es, luftempfindliche Titrierlösungen, z.E. Barytlauge, ohne Schutzgas aufzuheben, in die Bürette zu drücken, von dort abfließen zu lassen und so zu titrieren. Die eigentliche Bürette faßt 3 ml.
  • Statt der Bürette kann auch eine Elektrolysiereinrichtung (Abb. 2) von oben in das Absorptionsgefäß gehängt werden. Sie besteht aus einem unten schräg abgeschnittenen Glasrohr 5, das mit einer Membran 6 abgeschlossen ist. Es wird mit einem Leitsalz, z.B. einer Bariumchloridlösung, gefüllt.
  • In diese ragt als Anode ein Kohlestab 7 hinein.
  • Parallel zur Membran, außerhalb des Diaphragmas, befindet sich als Kathode ein Platinblech 8, das gleichzeitig die Membran gegen das Ansetzen von Glasblasen schützt. Beim Einschalten eines Gleichstroms mit der Platinelektrode als Kathode wird die Lösung an der Kathode alkalisch entsprechend der hindurchgeschickten Strommenge.

Claims (8)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur potentiometrischen Bestimmung von Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Verbrennung der zu analysierenden Substanz gebildete Kohlensäure in einer geeigneten Apparatur durch eine Glasfritte in sehr feinen Bläschen in eine Absorptionslösung gedrückt wird, die Chemikalien, wie z.B. Baryt, in solcher Konzentration enthält, daß sie sich unter starker Änderung der Ionenkonzentration quantitativ mit der Kohlensäure umsetzen.
  2. 2. Verfahren zur Bestimmung von Kohlenstoff nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalität und die Bariumionenkonzentration der Absorptionslösung bei Gegenwart von wenig Wasserstoffperoxyd so eingestellt werden, daß die Potentialdifferenz einer eingetauchten Pjatinelektrode gegen eine I n-Kalomelektrode nahe bei Null liegt.
  3. 3. Verfahren zur Bestimmung von Kohlenstoff nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsatz der Kohlensäure mit der vorgelegten Barytlauge dadurch quantitativ gemacht wird, daß nach Beginn der Reaktion weitere Lauge zugesetzt wird.
  4. 4. Verfahren zur Bestimmung von Kohlenstoff nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die benötigte Titrierlauge in einer Zusatzeinrichtung elektrolytisch erzeugt wird.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der elektrolytischen Titration Stromkonstanz dadurch erzielt wird, daß das Elektrolysierrohr unten schräg geschnitten und mit einer Kollodiummembran abgeschlossen ist.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die potentio- metrische Anzeige und1oder die elektrolytische Titration durch Schreibgeräte aufgezeichnet werden.
  7. 7. Verfahren zur potentiometrischen Bestimmung von Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet daß der Wasserstoff in bekannter Weise Wasser verbrannt wird, dieses in an sich bekannter Weise über einen Kohlekontakt zunächst zu Kohlenoxyd und dieses weiter zu Kohlensäure umgesetzt wird, die dann nach den Ansprüchen I bis 6 bestimmt wird.
  8. 8. Verfahren zur potentiometrischen Bestimmung von Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit Kohlenstoff bei höheren Temperaturen in an sich bekannter Weise zu Kohlenoxyd und dieses weiter zu Kohlensäure umgesetzt wird, die dann nach den Ansprüchen 1 bis 6 bestimmt wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1180969B (de) * 1959-03-28 1964-11-05 Klees O H G Geb Verfahren zur genauen Bestimmung von Kohlenstoff in Metallen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1180969B (de) * 1959-03-28 1964-11-05 Klees O H G Geb Verfahren zur genauen Bestimmung von Kohlenstoff in Metallen

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