RU196401U1 - Лабораторная установка для определения массовой доли основного вещества в гидридах и карбидах щелочных металлов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области аналитической химии, к лабораторным установкам для проведения физико-химических методов анализа и предназначена для определения массовой доли основного вещества гидридов и карбидов щелочных металлов.Лабораторная установка состоит из измерительного сосуда известной вместимости с двумя отростками, на верхнем отростке установлен высокоточный манометрический датчик абсолютного давления, к нижнему концу - форвакуумный насос. Измерительная система дополнена системой разложения материала. Система разложения состоит из колбы для разложения с резиновой пробкой и установленной в нее воронкой, и азотной ловушки. Измерительный сосуд помещен в термостат. Температура в термостате измеряется с помощью водного термометра. Система оснащена двумя вакуумными кранами для отсечения форвакуумного насоса и отсечения системы разложения от измерительной части.Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в сокращении времени и упрощении проведения анализа, повышении сходимости между параллельными измерениями и снижении погрешности анализа за счет улучшения конструктива установки, которые позволяют проводить измерения в вакууме с улавливанием выделяющихся паров воды на азотной ловушке. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области аналитической химии, а именно к лабораторным установкам для проведения физико-химических методов анализа и предназначена для определения массовой доли основного вещества гидридов и карбидов щелочных металлов.

Известна установка для определения массовой доли основного вещества в гидридах щелочных металлов (ОИ 001.688-2009 ПАО "Новосибирский завод химконцентратов") (Фиг. 1). Способ определения массовой доли основного вещества, определяемый на данной установке, основан на измерении объема выделившегося газа из навески анализируемого вещества при растворении в воде, а количество катионов определяются путем титрования полученного раствора кислотой.

Установка представляет собой водяной термостат 23 из органического стекла, в который устанавливают прибор для разложения анализируемого продукта. Термометр 2 предназначен для измерения температуры воды в термостате. Вода в термостате перемешивается электромешалкой 5. В термостате расположен измерительный сосуд 11 вместимостью 2-3 дм³ с меткой 14 и бюретка 16 вместимостью 50-100 см³, верхняя граница шкалы которой - метка 15. Нижние концы сосуда 11 с шариками, бюретки 16 и уравнительной трубки 10 соединены с гребенкой 24 резиновыми трубками, снабженными зажимами 17, 18, 22. Посредством крана 7 измерительный сосуд 11 может быть соединен с реакционной колбой 1 для растворения навески, а посредством крана 8 - с атмосферой. Напорный сосуд 9 представляет собой бутыль вместимостью 5-10 дм³, которая при помощи пробки со вставленными в нее стеклянными трубками герметично соединяется резиновой трубкой с узлом управления 19, соединенным с вакуумной линией. Узел управления состоит из двух кранов 20 и 21. Один из боковых патрубков каждого крана соединяет напорный сосуд 9 с атмосферой, другой - с вакуумной линией. Кран 20 служит для грубой регулировки давления в напорном сосуде. Кран 21, оба патрубка которого присоединены к капиллярам, служит для тонкой регулировки давления в сосуде 9. Регулируя кранами 20 и 21, давление в напорном сосуде 9 можно опорожнять или наполнять водой измерительный сосуд 11 и бюретку 16. В качестве запирающей жидкости применяют насыщенную водородом дистиллированную воду. Реакционная колба 1 вместимостью 150-250 см³ служит для разложения навески продукта. Объем колбы измеряют с погрешностью не более 2 см³. Колбу закрывают пробкой с отверстием, в которое вставлена стеклянная воронка 3 с краном. Стакан 6 предназначен для охлаждения колбы 1 во время растворения навески.

Осуществление способа происходит следующим образом.

Подбирают навеску пробы материала, которая по выделяемому объему газа приблизительно соответствует объему измерительной части прибора, и взвешивают с погрешностью не более ±0,0005.

Оптимальную массу навески m в граммах вычисляют по формуле:

,

где М - молекулярная масса вещества, г/ моль;

V₁ - объем измерительного сосуда 11, см³;

V₂ - объем бюретки 16, см³;

V₃ - объем воды, прибавленный в колбу в процессе растворения навески, см³;

Р - атмосферное давление, мм рт.ст.;

Р_в - давление насыщенного водяного пара при температуре t_m, мм рт.ст. (Таблица 3);

t_m - температура воды в термостате,°С.

Навеску переносят в реакционную колбу 1 прибора (Фиг. 1), и по разности в массе, пробирки с навеской и пустой пробирки находят величину навески до четвертого знака после запятой. Колбу быстро закрывают пробкой с воронкой 3, и при закрытых кранах 4, 7, 8 присоединяют к прибору посредством резиновой трубки. Включают мешалку 5. Открывают кран 8, и выдерживают прибор с присоединенной реакционной колбой и открытыми зажимами 17, 18 и 22 в термостате от 3 до 5 минут. В течение этого времени, пользуясь узлом управления 19, совмещают уровень запирающей жидкости в измерительном сосуде с меткой 14, закрывают кран 8, и записывают температуру воды в термостате.

После этого проверяют прибора на герметичность, для этого закрывают зажимы 17 и 22, 18 оставляют открытым. С помощью узла управления 19 в приборе создают разряжение. Когда уровень запирающей жидкости в бюретке 16 достигнет метки 15, кран узла управления закрывают. Герметичность прибора считается достаточной, если в течение 3 минут уровень запирающей жидкости в бюретке остается на метке 15.

После испытания прибора на герметичность закрывают зажим 18, и открывают сначала зажим 22, а затем 17. Реакционную колбу с навеской извлекают из термостата, помещают в стакан 6 с холодной водой, и открывают кран 7.

В воронку 3 наливают от 30 см³ до 50 см³ дистиллированной воды (количество дистиллированной воды зависит от величины навески), отмеренной при помощи бюретки. Затем через кран 4 в воронке, осторожно, сначала по каплям, потом небольшими порциями, прибавляют дистиллированную воду, следя за тем, чтобы очередная порция поступала в колбу после замедления растворения продукта. После прибавления всей дистиллированной воды носик воронки должен быть целиком заполнен водой.

В процессе разложения навески давление в приборе регулируют краном 21 узла управления 19, так чтобы измерительный сосуд освобождался от запирающей жидкости постепенно. В уравнительной трубке 10 уровень запирающей жидкости должен быть ниже уровня ее в измерительном сосуде, но не должен опускаться ниже дна термостата. Когда запирающая жидкость в измерительном сосуде опустится приблизительно до середины нижнего шарика, закрывают зажим 22 и кран 21, а краном 20 соединяют напорный сосуд с атмосферой.

После полного растворения навески продукта реакционную колбу 1 снова переносят в термостат, выдерживают 10-20 минут. Затем закрывают кран 20, открывают зажим 22, и точно совмещают уровень запирающей жидкости с какой-либо из меток 13, заполняя газом один, два или три шарика в зависимости от величины от навески. После этого зажим 22 закрывают.

Затем открывают зажимы 17 и 18 и, пользуясь узлом управления 19, совмещают уровни запирающей жидкости в бюретке и уравнительной трубке. Суммируя заполненные объемы измерительного сосуда, шариков и бюретки, получают объем газа, выделившегося из навески (V_t). При этом записывают температуру воды в термостате (t_m), атмосферное давление (Р) и температуру окружающего воздуха (t).

После измерения объема газа отсоединяют реакционную колбу, переносят ее содержимое в мерную колбу вместимостью 250 см³, стенки колбы и пробку тщательно промывают дистиллированной водой, собирая ее в ту же колбу. Доводят объем раствора до метки дистиллированной водой и перемешивают.

Из мерной колбы отбирают пипеткой 25 см³ раствора в коническую колбу вместимостью 250 см³, добавляют 2-3 капли индикатора метилового красного и титруют 0,3 н раствором серной кислоты до изменения желтой окраски раствора в розовую.

Рассчитывают коэффициент F для приведения газа к нормальным условиям:

,

где Р - атмосферное давление (по барометру), мм рт.ст.;

t_m - температура термостата, °С;

Р_в - давление водяного пара при температуре воды t, мм рт.ст.(таблица 3);

Ж - поправка для приведения барометра к 0°С, мм рт.ст.(таблица 4);

П - сумма постоянных поправок, состоящая из поправки на высоту над уровнем моря и широту а также из инструментальной поправки, мм рт. ст.(таблица 5).

Первые две поправки находят по таблицам (таблица 3, 4), инструментальная поправка указана в поверочном свидетельстве барометра.

Инструментальная поправка для барометра-анероида рассчитывается по формуле:

P_t=a+b⋅t+c⋅t²+d⋅t³+K(P_k-P_si)-(t-20),

где а=0,18 мм рт.ст.;

b=(-0,009) мм рт.ст./°С;

с=(-0,000014) мм рт.ст./°С²;

d=0,000002 мм рт. ст./°С³;

К=0,0003121/°С;

P_k=529 мм рт.ст.;

P_si- значение давления, определенное по барометру, мм рт.ст.;

t - температура окружающей среды, °С.

Объем выделившегося газа (V₀), см³, приведенный к нормальным условиям, рассчитывают по формуле

V₀=F(V_t-Z+3,5m)-K⋅E,

где V_t - объем газа, измеренного на приборе, см³;

Z- объем прибавленной воды, см³;

Е- объем реакционной колбы, см^3.

После измерения объема газа отсоединяют реакционную колбу, переносят ее содержимое в мерную колбу вместимостью 250 см³, стенки колбы и пробку тщательно промывают дистиллированной водой, собирая ее в ту же колбу. Доводят объем раствора до метки дистиллированной водой и перемешивают.

Из мерной колбы отбирают пипеткой 25 см³ раствора в коническую колбу вместимостью 250 см³, добавляют 2-3 капли индикатора метилового красного и титруют 0,3 н раствором серной кислоты до изменения желтой окраски раствора в розовую.

Рассчитывают количество основного вещества, моль, в навеске по формуле

,

где V_к - объем кислоты, см³, пошедший на титрование;

с - концентрация кислоты, моль/ дм³;

V_мк - объем мерной колбы;

V_ал - объем аликвоты.

Массовую долю основного вещества в процентах вычисляют по формуле:

,

где S - количество основного вещества, моль;

М - молекулярная масса материала, г/моль;

m - масса навески, г.

Недостатками данного способа являются

1) трудоемкость отбора точных навесок;

2) сложность проводимых расчетов с использованием табличных данных (влияние факторов окружающей среды);

3) высокая погрешность измерений, в связи с утечкой и растворением измеряемого газа;

4) присутствие в измерительной системе водяных паров, создающих дополнительное давление, учитываемые в расчетах.

Техническая проблема, решаемая данным техническим решением, заключается в сокращении времени проведения анализа и расчетов, повышение сходимости между параллельными измерениями, снижением погрешности анализа.

Лабораторная установка (Фиг. 2) состоит из измерительного сосуда известной вместимости с двумя отростками (6), на верхнем отростке установлен высокоточный манометрический датчик абсолютного давления (1), к нижнему концу - форвакуумный насос (9). Измерительная система дополнена системой разложения материала. Система разложения состоит из колбы для разложения (4) с резиновой пробкой и установленной в нее воронкой, и азотной ловушки (5). Измерительный сосуд помещен в термостат (6). Температура в термостате измеряется с помощью водного термометра (3). Система оснащена двумя вакуумными кранами: (2) - для отсечения форвакуумного насоса и (8) - для отсечения системы разложения от измерительной части.

Для определения массовой доли основного вещества гидрида щелочного металла, навеска материала взвешивается в диапазоне от 0,1 до 0,5 г, и переносится в реакционную колбу (4). По разности в массе, пробирки с навеской и пустой пробирки, находят величину навески до четвертого знака после запятой. Колбу быстро закрывают пробкой с воронкой и присоединяют к азотной ловушке 5 посредством силиконовой трубки.

В азотную ловушку 5 заливают жидкий азот. Открывают кран 2. С помощью насоса 9 откачивают измерительную систему до 0 мм рт.ст., перекрывают кран 8 проверяют на герметичность (давление не должно меняться в течении 1 минуты). В воронку наливают от 15 см³ до 20 см³ дистиллированной воды (количество дистиллированной воды зависит от величины навески), отмеренный при помощи бюретки. Затем через кран 4 в воронке, осторожно, сначала по каплям, потом небольшими порциями, прибавляют дистиллированную воду, следя за тем, чтобы очередная порция поступала в колбу после замедления растворения продукта. После прибавления всей дистиллированной воды носик воронки должен быть целиком заполнен водой. Выдерживают в течении 5 минут, снимают показания давления с датчика 1. С помощью водного термометра 3 измеряют температуру в термостате. Далее по формуле

,

где V₀ - объем выделившегося газа при нормальных условиях;

V_сист ^_ объем системы разложения;

V_колбы - объем реакционной колбы;

V_воды - объем прибавленной воды;

Р_газа- давление выделившегося газа при разложении навески материала;

Т - температура термостата.

После измерения объема газа отсоединяют реакционную колбу, переносят ее содержимое в мерную колбу вместимостью 250 см³, стенки колбы и пробку тщательно промывают дистиллированной водой, собирая ее в ту же колбу. Доводят объем раствора до метки дистиллированной водой и перемешивают.

Из мерной колбы отбирают пипеткой 25 см³ раствора в коническую колбу вместимостью 250 см³, добавляют 2-3 капли индикатора метилового красного и титруют 0,3 н раствором серной кислоты до изменения желтой окраски раствора в розовую.

Рассчитывают количество основного вещества, моль, в навеске по формуле

,

где V_к - объем кислоты, см³, пошедший на титрование;

с - концентрация кислоты, моль/ дм³;

V_мк - объем мерной колбы;

V_ал - объем аликвоты.

Массовую долю основного вещества в процентах вычисляют по формуле:

,

где S - количество основного вещества, моль;

М - молекулярная масса материала, г/моль;

m - масса навески, г.

Таким образом, при применении данного решения выявлены следующие признаки, представленные в Таблице 1.

Промышленная применимость.

Данный способ опробован на образцах гидрида щелочного металла. Диапазон определяемых концентраций основного вещества от 97-100%. Рассчитаны и присвоены следующие характеристики погрешности приведенные в Таблице 2.

Для широты выше 45° поправки прибавляют, для широт ниже 45° -вычитают из показаний барометра, пересчитанных на 0°.

б) пересчет к уровню моря

Поправки вычитают из показаний барометра, пересчитанных на 0°С.

Claims (1)

1. Лабораторная установка для определения массовой доли основного вещества в гидридах и карбидах щелочных металлов, представляющая собой измерительную систему, включающую измерительный сосуд, помещенный в термостат, с установленным на него высокоточным манометрическим датчиком давления с одной стороны и форвакуумным насосом - с другой, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему разложения материала, включающую колбу с резиновой пробкой и установленной в нее воронкой, азотную ловушку, а также вакуумные краны, для отсечения форвакуумного насоса и системы разложения от измерительной части.

Images