Раздел 1. Методы контроля и анализа химического состава вещества

По способу аналитического исследования химического состава вещества методы разделяют на химические, физико-химические и физические.

Критериями оценки пригодности какого-либо метода контроля для решения конкретной аналитической задачи служат такие технические характеристики как чувствительность, точность, локальность и др. Чувствительность – способность метода определять минимальное содержание химического элемента в материале. Под точностью метода понимают близость действительных (фактических) и истинных значений количества анализируемого химического элемента в материале. Локальность метода характеризуется геометрическими размерами зоны исследования контролируемого объекта.

Тема 1. Химические методы

Химические методы (методы химического анализа) основаны на способности контролируемых химических элементов, входящих в состав материала, давать характерные химические реакции с определенными растворителями.

Химические методы позволяют определить усредненный состав определенного объема анализируемой пробы, взятой в виде навески (например, в виде стружки, получаемой сверлением или опиловкой контролируемого образца). Эти методы характеризуются длительностью процесса анализа и простотой оборудования, но результат анализа в значительной степени зависит от внимательности исполнителя.

По способу определения анализируемого химического элемента методы химического анализа разделяют на качественные и количественные. К качественным методам, позволяющим определить присутствие какого-либо анализируемого химического элемента в материале, относят капельный метод. К количественным методам, использующимся для определения концентрации анализируемого химического элемента в материале, относят весовой и объемный методы.

Капельный метод (метод проб) основан на том, что на зачищенный шкуркой участок поверхности контролируемого материала наносят несколько капель растворителя (кислота или смесь кислот) и осадителя и наблюдают появление осадка.

Осадитель подбирают таким образом, чтобы он с контролируемым химическим элементом в результате химической реакции дал осадок, который является идентификационным признаком наличия контролируемого химического элемента в материале, и чтобы в осадок не выпадали другие определяемые химические элементы.

К преимуществам капельного метода относят быстроту (экспресс-метод), простоту и наглядность. Недостатки качественной оценки обусловлены тем, что минимальная концентрация определяемого химического элемента составляет 0,1% по массе.

Весовой (гравиметрический) метод основан на определении массы выпадающего осадка, получаемого в виде трудно растворимого химического соединения в результате химической реакции.

Методика анализа включает операции приготовления и взвешивания навески, растворения навески в растворителе, фильтрации (для сбора осадка), промывки (для удаления примесей) и прокаливания осадка (для удаления влаги). Осадок взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0001 г. По массе осадка и навески рассчитывают содержание анализируемого химического элемента в пробе.

Преимущество метода – высокая точность анализа за счет использования точных аналитических весов. Недостаток метода – большая длительность анализа, связанная с приготовлением и обработкой навески и взвешиванием осадка.

Объемный (титриметрический, волюметрический) метод основан на измерении объема титрованного (стандартного) раствора, титр которого (число граммов растворенного вещества, содержащегося в 1 мл раствора) точно известен, израсходованного на реакцию титрования с анализируемым раствором, в который переведен определяемый химический элемент.

Методика объемной титриметрии включает операции приготовления и взвешивания навески, растворения навески в растворе кислоты и получения анализируемого раствора. Затем в анализируемый раствор понемногу вливают титрованный раствор до момента изменения цвета индикатора (слабые органические кислоты и основания, например, фенолфталеин, дифениламин и др.), присутствующего в анализируемом растворе. Индикаторы при наступлении равновесия химической реакции (точки эквивалентности) скачкообразно изменяют свой цвет. По объему титрованного раствора и массе навески рассчитывают содержание анализируемого химического элемента в пробе.

Объемный метод химического анализа применяют преимущественно для определения химических элементов, присутствующих в сплаве в малом количестве (примесные элементы). Метод характеризуется быстротой (несколько минут), но сравнительно меньшей точностью, чем весовой метод.

Так как любая химическая реакция идет в замкнутых системах только до некоторого равновесного состояния, то главный недостаток объемного метода химического анализа обусловлен трудностями точной фиксации момента наступления равновесия химической реакции. Изменение окраски происходит не строго в точке эквивалентности, а с некоторым отклонением, что приводит к появлению индикаторной ошибки титрования. Особенно ошибка возрастает в химических реакциях, протекающих с малой скоростью, и в зависимости от выбранного индикатора может колебаться в широких пределах. В этих условия существенно возрастает роль человеческого фактора.

Химические методы (чувствительность достигает 0,01%) могут быть использованы для контроля и анализа содержания газов, растворенных в металле. Однако их использование ограничено из-за недостаточно высокой чувствительности.