Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Братский государственный университет»

Т.А. Донская

Н.П. Космачевская

А.А. Варфоломеев

Бесстружковый
анализ сплавов

Методические указания
по выполнению лабораторной работы

Братск

Издательство Братского государственного университета

2011

УДК 540
Донская Т.А., Космачевская Н.П., Варфоломеев А.А. Бесстружковый анализ сплавов : метод. указания по выполнению лабораторной работы. – Братск : Изд-во БрГУ, 2011. – 12 с.

Методические указания содержат основные теоретические сведения о сплавах и капельном анализе, подробные указания по выполнению опытов, вопросы и задания для самоконтроля.

Предназначены для оказания помощи бакалаврам по направлению подготовки 230040 «Информационные системы и технологии» в изучении дисциплины «Химия».

Библиогр. 2 назв. Табл. 1.

Рецензент М.А. Варданян, канд. техн. наук, доцент

каф. химии ФГБОУ ВПО «БрГУ» (г. Братск)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Отпечатано в авторской редакции
665709, Братск. ул.Макаренко, 40

ФГБОУ ВПО «БрГУ»

Тираж 50 экз. Заказ

 ФГБОУ ВПО «БрГУ», 2011

 Донская Т.А., Космачевская Н.П., Варфоломеев А.А., 2011

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы являются одной из важных составных частей курса химии. Цель лабораторных работ – закрепить теоретический материал и приобрести навыки его практического применения.

В результате выполнения данной лабораторной работы студенты знакомятся с элементами качественного анализа, овладевают навыками определения некоторых компонентов сплава с помощью одного из методов химического анализа – так называемых «капельных реакций».

Лабораторная работа содержит основные теоретические сведения о сплавах и капельном анализе, подробные указания по выполнению опытов, вопросы и задания для самоконтроля, список литературы.

Лабораторная работа составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта по дисциплине «Химия» для бакалавров по направлению подготовки 230040 «Информационные системы и технологии».

Лабораторная работа. БЕССТРУЖКОВЫЙ
АНАЛИЗ СПЛАВОВ

Цель работы: изучение одного из методов качественного анализа; применение капельного анализа для определения состава сплавов.

Оборудование и реактивы: Фарфоровые чашки. Часовые стёкла. Полоски фильтровальной бумаги. Пероксид натрия (крист.). Растворы: ализарин насыщенный (спиртовой раствор), гидроксид аммония (25 %), бензидин насыщенный (в 30 %-ой уксусной кислоте), диметилглиоксим (спиртовой раствор), йод (1 н в 20 %-ом растворе иодида калия), бихромат калия (0,5 н), гидроксид калия
(1 н), гексацианоферрат калия (II) (0,5 н), роданид калия (10 %), азотная кислота (1:1), серная кислота (1:1), соляная кислота (1:1), фосфат натрия (насыщенный раствор), ацетата натрия (6 н), хлорид олова (10 %), нитрат серебра (2 %).

1. Основные теоретические положения

Металлические сплавы – это вещества, обладающие металлическими свойствами и состоящие из двух или более элементов, из которых хотя бы один является металлом. Их получают охлаждением расплавленных смесей, совместным осаждением из газовой фазы, электроосаждением из растворов и расплавов, диффузионным насыщением. Свойство сплавов значительно отличаются от свойств металлов. Например, прочность на разрыв сплава меди и цинка (латуни) в три раза выше, чем у меди и в шесть раз по сравнению с цинком. Железо хорошо растворимо, а его сплав с хромом и никелем (нержавеющая сталь) – устойчив в разбавленной серной кислоте. Различают однофазные сплавы (твердые растворы), механические смеси и химические соединения (интерметаллиды).

Твердые растворы – это фазы переменного состава, в которых различные атомы образуют общую кристаллическую решетку. Практически все металлы образуют твердые растворы с другими металлами и неметаллами. Однако, в большинстве случаев растворимость других элементов в металлах невелика, а иногда и пренебрежимо мала. Имеется несколько систем с полной взаимной растворимостью (непрерывные твердые растворы). Примерами таких твердых растворов служат сплавы серебро – золото, никель – кобальт, медь – никель, молибден – вольфрам.

Атомы растворяющихся элементов занимают либо узлы кристаллической решетки (растворы замещения), либо места между узлами (растворы внедрения). Растворы замещения образуют компоненты с близкими электронными структурами и размерами атомов. При растворении неметаллов в металлах обычно возникают растворы внедрения. Для твердых растворов характерно постепенное изменение свойств с изменением их состава. Прочность и твердость твердых растворов обычно выше, а электрическая проводимость и теплопроводность ниже, чем у каждого из компонентов в отдельности.

Многие металлы, взаимно растворимые в расплавленном состоянии, при охлаждении образуют смесь кристаллов с различной кристаллической решеткой. Температура плавления такой смеси ниже температуры плавления отдельных компонентов. Состав, имеющий минимальную температуру плавления, называется эвтектикой. Эвтектический сплав состоит из очень мелких кристаллов индивидуальных компонентов. Эвтектическую смесь обычно образуют металлы, близкие по природе, но существенно отличающиеся по типу кристаллической решетки, например, свинец с оловом, с сурьмой, кадмий с висмутом, олово с цинком. Эвтектические сплавы характеризуются малыми размерами и однородностью кристаллов и имеют высокие твердость и механическую прочность. Поэтому сплавы свинца с оловом и сурьмой применяются в качестве типографских шрифтов и решеток аккумуляторов. Вследствие легкоплавкости сплавы свинца с оловом также применяются для припоев и подшипников.

Для большинства эвтектических сплавов наблюдается ограниченная растворимость компонентов. Например, растворимость олова в свинце и свинца в олове составляет соответственно атомных долей 19,5 % и 2,5 %. При сильном взаимодействии между металлами образуются химические соединения, называемые интерметаллидами.

Химические соединения обычно возникают между металлами, отличающимися по электроотрицательности и химическим свойствам, например, между магнием и медью (MgCu₂), никелем (MgNi₂), сурьмой (Mg₃Sb₂), между алюминием и никелем (Ni_XAl_y), лантаном (LaAl₄), кальцием и цинком (CaZn₁₀), лантаном и никелем (LaNi₅) и многими другими. Обычно составы интерметаллидов не соответствуют формальным валентностям металлов. Кристаллические структуры интерметаллидов, как правило, не похожи на структуры индивидуальных компонентов. Свойство химических соединений существенно отличаются от свойств исходных металлов. Они характеризуются меньшими значениями теплопроводности и электрической проводимости, чем образующие их компоненты. Некоторые интерметаллиды являются даже полупроводниками.

Интерметаллиды характеризуются хрупкостью, но становятся пластичными при температурах, близких к температурам плавления. Многие из них имеют высокую химическую стойкость.

Итак, металлические сплавы существуют в виде твердых растворов, механических смесей, интерметаллидов и их сочетаний.

Данные о некоторых сплавах приведены в табл. 1.

Для определения состава сплава широко используют так называемый «бесстружковый метод» анализа, основанный на капельных реакциях.

Состав веществ имеет качественную и количественную характеристики. Установить состав вещества – значит определить, какие компоненты (элементы, ионы, молекулы и т.д.) образуют это вещество и в каких соотношениях. Определение качественного состава веществ, их структуры проводят методами химического анализа.

Таблица 1

Характеристика сплавов

Название сплава	Состав	Способы получения	Характерные свойства	Области применения
1	2	3	4	5
Стали	Fe + C (до 1,7 %) + легирующие добавки (Cr, Ni, Mo, W, Al, Mn) + металлургические примеси (Si, S, P)	Переработка чугуна мартеновским и электротермическим способами, основанными на выжигании (окислении) углерода. Мартеновским способом получают 15 % стали, электротермическим – стали, содержащие W, Mo и др.	Обладают большей твердостью по сравнению с чистым железом и имеют в своем составе до 10 различных элементов	Основной материал, применяемый в машиностроении, строительстве и во многих отраслях техники и науки
Чугун	Fe + C (>2 %) + Si, Mn, P, S	Выплавка в доменных печах (93 % Fe + 4,5 % C + 0,5-2 % Si, 1-3 % Mn, 0,02-2 % P и до 0,08 % S)	Очень тверд и хрупок по сравнению с чистым железом	Массивные детали различных машин и сырье для получения стали
Бронза	Cu + Sn; Cu + Al Cu + Pb; Cu + Si	Сплавлением в специальных печах	Обладает высокой стойкостью к атмосферной коррозии	Части машин и художественные отливки

Окончание табл. 1

1	2	3	4	5
Латунь	Cu + Zn	Сплавлением в специальных печах	Обладает высокой пластичностью и стойкостью к атмосферной коррозии	Приборы, детали машин, предметы домашнего обихода
Дуралюмин	Al (95 %) + Mg + Cu + Mn	то же	По прочности равен стали, но в 3 раза легче ее	Детали в самолетостроении
Нихром	Ni + Cr + + Fe + Mn	– // –	Обладает высокой жаростойкостью и большим электросопротивлением	Электрические нагревательные приборы
Силумин	86-88 % Al + 12-14 % Si	– // –	Обладает хорошими литейными свойствами	Детали машин
Манганин	Cu + Mn (11-14 %) + + Ni (2-4 %)	– // –	Обладает низким коэффициентом электрического сопротивления при 15-35 0С	Эталонные сопротивления в приборах высокого класса точности
Монель-металл	Ni + Cu (23-27 %) + + Fe (2-3 %) + + Mn (1-2 %)	– // –	Отличается устойчивостью в атмосферных условиях, в кислотах, не обладающих окислительными свойствами, крепких растворах щелочей, высокопрочен и пластичен	Конструкционный материал в судостроении, химической промышленности, медицине

Химический анализ исследуемых веществ осуществляют с помощью химических, физических и физико-химических методов.

Химические методы основаны на использовании химических реакций, сопровождающихся наглядным внешним эффектом, например изменением окраски раствора, растворением или выпадением осадка, выделением газообразного продукта.

В зависимости от массы или объема раствора исследуемого вещества реакции выполняют пробирочным, капельным и микрокристаллоскопическим методами.

Капельный анализ разработан в 1920 г. русским учёным Н.А. Тананаевым. Метод заключается в следующем: на фарфоровые, стеклянные пластинки или на полоски фильтровальной бумаги наносится капля исследуемого раствора и капля реактива. Появление осадка или изменение окраски является аналитическим сигналом для обнаружения вещества или иона. Реакции, сопровождающиеся выпадение осадка, выполняют на пластинах. Цветные капельные реакции чаще всего проводят на фильтровальной бумаге. Используя разные адсорбционные свойства определяемых ионов, можно одновременно обнаружить 2–3 иона по появлению 2–3 кольцевых зон, окрашенных в различные цвета.

Капельные реакции позволяют проводить исследование сплава без разрушения образца.

Капельный анализ отличается высокой чувствительностью, экономичностью и специфичностью. С помощью капельных реакций можно обнаружить одни ионы в присутствии других, не прибегая к их предварительному разделению, что значительно упрощает и ускоряет проведение анализа.

2. Экспериментальная часть

Опыт 1. Обнаружение s-металлов (магний)

Выполнение опыта. На поверхность сплава нанести 2–3 капли раствора соляной кислоты. Через 2–3 минуты отобрать каплю полученного раствора на фарфоровую пластинку, прибавить каплю 1 н раствора гидроксида калия и каплю раствора йода. Через 2–3 минуты прибавить еще 2 капли раствора гидроксида калия. Наблюдать появление коричневого адсорбционного соединения магния.

Опыт 2. Обнаружение р-металлов

Выполнение опыта:

а) обнаружение алюминия. На поверхность сплава нанести 1–2 капли раствора соляной кислоты. Через 2–3 минуты приложить к капле фильтровальную бумагу, предварительно смоченную раствором желтой кровяной соли и высушенную над пламенем спиртовки.

Подержать бумагу в парах аммиака. Нанести каплю раствора ализарина и снова подержать в парах аммиака. Бумагу высушить над пламенем спиртовки.

Нанести каплю ализарина и снова подержать в парах аммиака. Бумагу высушить над пламенем спиртовки. В присутствии алюминия появляется розовая окраска в виде кольца.

б) обнаружение олова. На поверхность сплава нанести 1–2 капли азотной кислоты 1:1:

Sn + 4HNO₃ = 4NO₂ + H₂SnO₃ + H₂O.

Образование белого осадка укажет на присутствие олова в сплаве.

в) обнаружение свинца. На поверхность сплава наносят

1–2 капли раствора азотной кислоты:

Pb + 4HNO₃ = Pb(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.

Через 2–3 минуты добавить туда же 1–2 капли иодида калия:

Pb(NO₃)₂ + 2 KI = PbI₂ + 2KNO₃.

Образование желтого осадка укажет на присутствие свинца в сплаве.
Опыт 3. Обнаружение d-металлов

Выполнение опыта:

а) обнаружение хрома. На поверхность сплава нанести

2–3 капли серной кислоты 1:1.

2Cr + 6H₂SO₄ = 3SO₂ + Cr₂(SO₄)₃ + 6H₂O.

Через 2–3 минуты добавить несколько кристалликов пероксида натрия:

Cr₂(SO₄)₃ + 3Na₂O₂ = 2Na₂CrO₄ + 3Na₂S.

После этого приложить к капле фильтровальную бумагу. Рядом с образовавшимся пятном нанести каплю насыщенного раствора бензидина. Появление в месте соприкосновения пятен синего цвета (бензидиновой сини) укажет на присутствие хрома.

б) обнаружение марганца. На поверхность сплава нанести

2–3 капли раствора азотной кислоты:

Mn + 4HNO₃ = Mn(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.

Через 2–3 минуты добавить каплю раствора нитрата серебра и несколько кристалликов персульфата аммония. В присутствии марганца происходит окрашивание в фиолетовый цвет:

2Mn(NO₃)₂ + 5(NH₄)₂S₂O₈ + 8H₂O =

= 2HMnO₄ + 5(NH₄)₂SO₄ + 5H₂SO₄ + 4HNO₃.
г) обнаружение железа. На поверхность сплава нанести
2–3 капли раствора азотной кислоты:

Fe + 6HNO₃ = 3NO₂ + Fe(NO₃)₃ + 3H₂O.

Через 2–3 минуты приложить к капле фильтровальную бумагу, смоченную раствором роданида калия:

Fe(NO₃)₃ + 3KCNS = Fe(CNS)₃ + 3KNO₃.

Появление кроваво красного пятна укажет на присутствие железа в сплаве.
д) обнаружение никеля. На поверхность сплава нанести
2–3 капли раствора азотной кислоты:

Ni + 4HNO₃ = Ni(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.

Через 2–3 минуты приложить фильтровальную бумагу, смоченную раствором аммиака. На полученное пятно поместить каплю Na₃PO₄ и каплю спиртового раствора диметилглиоксима. Появление красного окрашивания укажет на присутствие никеля в сплаве.
е) обнаружение меди. На поверхность сплава нанести
2–3 капли раствора азотной кислоты:

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.

Через 2–3 минуты приложить к капле фильтровальную бумагу, заранее смоченную концентрированным раствором аммиака. Посинение бумажки укажет на присутствие меди в сплаве:

Cu(NO₃)₂ + 4NH₄OH = [Cu(NH₃)₄](NO₃)₂ + 4H₂O.

ж) обнаружение серебра. На поверхность сплава нанести
2–3 капли раствора азотной кислоты:

Ag + 2HNO₃ = AgNO₃ + NO₂ + H₂O.

Через 2–3 минуты приложите к капле фильтровальную бумагу. На образовавшееся пятно нанести каплю уксуснокислого натрия и кристаллик бихромата калия. Появление буро-коричневой окраски укажет на присутствие серебра в сплаве.

4AgNO₃ + K₂Cr₂O₇ + 2CH₃COONa + H₂O =

= 2Ag₂CrO₄ + 2KNO₃ + 2NaNO₃ + 2CH₃COOH.

Вопросы для защиты лабораторной работы

1. С помощью каких реакций можно обнаружить железо в сплаве?

2. Что такое оксидная пленка и какие металлы её образуют?

3. Напишите реакцию взаимодействия свинца в разбавленной азотной кислоте.

4. Растворяется ли в соляной кислоте железо, медь, серебро? Дать объяснение.

5. Назовите важнейшие легирующие элементы, вводимые в состав легированных сталей.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В чем заключается сущность бесстружкового метода анализа?

2. Дайте определение металлическим сплавам.

3. Какие свойства сплаву придает присутствие в нем никеля?

4. Какие металлы из р-семейства можно обнаружить в сплаве с помощью капельных реакций?

5. Приведите три примера сплавов, в состав которых входит никель.

Литература

1. Глинка Н.Л. Общая химия : учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Ермакова. – 30-е изд., испр. – М. : Интеграл-Пресс, 2004. – 728 с.

2. Коровин Н.В. Общая химия : учебник для технических направ. и спец. вузов / Н.В. Коровин. – 3-е изд., испр. – М. : Высш. шк., 2007. – 558 с.