Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Katedra Technologii Materiałów Budowlanych

Analiza chemiczna spoiw

Wykonała:

Justyna Kłapcińska

Gr. II

Data oddania: 05.12.2013

1. Wstęp teoretyczny:

Do standardowego oznaczenia Na₂O oraz K₂O stosuje się metody:

• Absorpcyjną spektrometrię atomową (ASA)

• Płomieniową spektrofotometrię emisyjną (fotometria płomieniowa)

Metoda ASA:

Opiera się na zjawisku absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez swobodne atomy. Atom może absorbować promieniowanie elektromagnetyczne tylko o takiej długości fali, przy której może je emitować i jest ono charakterystyczne dla danego pierwiastka. Przejściom elektronów pomiędzy różnymi poziomami energetycznymi odpowiadają różne częstotliwości promieniowania, których zbiór stanowi charakterystyczne dla danego pierwiastka widmo atomowe (widmo liniowe). Do celów analitycznych należy dokonać wyboru jednej z wielu różnych linii absorpcyjnych.

W przypadku oznaczania sodu i potasu cement roztwarza się w rozcieńczonym kwasie solnym. Oznaczenie prowadzi się bezpośrednio w roztworze po roztworzeniu lub po rozpuszczeniu cementu w kwasie, częściowo strącony SiO₂ rozpuszcza się w kwasie fluorowodorowym, a obecny w roztworze nadmiar jonów fluorkowych kompleksuje się dodatkiem kwasu borowego. Oznaczenie sodu i potasu techniką ASA prowadzi się najczęściej w płomieniu powietrze – acetylen.

Spektrometr absorpcji atomowej

Zalety metody:

• uniwersalność;

• selektywność;

• dokładność i precyzja;

• łatwość automatyzacji;

• dobrze zdefiniowane interferencje i sposoby ich eliminacji.

Fotometria płomieniowa:

Według norm: PN-78/B-04301 i PN-EN 196-2:2006 oznacza się sód oraz potas. Różnice w tych normach dotyczą przede wszystkim sposobu eliminacji lub ograniczenia interferencji spowodowanych obecnością nadmiaru wapnia w analizowanych próbkach.

Norma PN-78/B-04301:

Zasada oznaczenia polega na fotometrycznym pomiarze promieniowania emitowanego przez atomy sodu i potasu wprowadzone do płomienia palnika w postaci rozpylonego wodnego roztworu ich soli. Pomiar fotometryczny przeprowadza się w płomieniu acetylenowo – powietrznym.

Wykonanie oznaczenia: Z przygotowanej próbki należy odważyć 0,5 g cementu do zlewki o pojemności 250 cm³, dodać 40 cm³ wody i dokładnie rozmieszać. Następnie wlać 10 cm³ roztworu kwasu solnego, podgrzać do wrzenia, dodać 20cm³ kwasu szczawiowego i zalkalizować roztwór wodą amoniakalną wobec czerwieni metylowej do zmiany barwy z czerwonej na żółtą. Po 3 h przenieść zawartość zlewki do kolby pomiarowej, pojemność 200 cm³, uzupełnić do kreski i wymieszać. Sączyć przez twardy sączek. Wykonać pomiar. Emisję roztworu zmierzyć na fotometrze płomieniowym dla potasu przy filtrze 766nm, a następnie powtórzyć pomiar intensywności emisji tych samych roztworów dla sodu przy filtrze 589nm. Z wykresu odczytać zawartość tlenku potasu i tlenku sodu.

Wynik: za wynik należy przyjąć średnią arytmetyczną wyników dwóch oznaczeń. Dopuszczalna różnica między wynikami dla tlenku potasowego nie powinna przekraczać 0,1%, a dla tlenku sodowego – 0,05%.

Norma PN-EN 196-2:2006:

Zasada oznaczenia polega na fotometrycznym pomiarze promieniowania emitowanego przez atomy sodu i potasu wprowadzone do płomienia palnika w postaci rozpylonego wodnego roztworu ich soli. Pomiar fotometryczny przeprowadza się w płomieniu niskotemperaturowym propan – butan – powietrze.

Wykonanie oznaczenia: Z przygotowanej próbki należy odważyć 0,5 g cementu do zlewki o pojemności 250 ml, rozmieszać z 50 ml wody i dodać kwasu chlorowodorowego. Mieszaninę ogrzewać do rozpuszczenia cementu, rozcierając cement szklanym pręcikiem. Ochłodzić zawiesinę do temperatury otoczenia. Przenieść zawartość zlewki do kolby pomiarowej, przemywając zlewkę wodą. Do roztworu dodać kwas fosforowy, dopełnić wodą do kreski, dokładnie wymieszać. Odpowiednią ilość odsączyć bez przemywania przez papierowy sączek do czystej, suchej zlewki, z której roztwór będzie rozpylany w płomieniu. Intensywność linii sodu mierzyć przy długości fali 589nm, a linii potasu przy długości 766nm. Zawartość tlenku sodu lub tlenku potasu w roztworze określić, w wyniku liniowej interpretacji intensywności odpowiadających im stężeń roztworów wzorcowych.

Zalety metody:

• prosta i stosunkowo tania aparatura

• niski koszt wykonania pojedynczego oznaczenia

• dobra czułość i wykrywalność

• zadowalająca dokładność i precyzja (2-3%)

• duża szybkość wykonywania pojedynczych oznaczeń, <1 min

• możliwości automatyzacji i stosowania naczyń przepływowych

• zastosowanie metody ogranicza się głównie do analizy pierwiastków alkalicznych i ziem alkalicznych

1. Wykonanie ćwiczenia:

Oznaczenie zawartości dwutlenku krzemu (SiO₂):

- zważyć porcelanowy tygiel

- odważyć ok. 1g badanego materiału i przenieść do zlewki (250ml)

- dodać stężonego kwasu nadchlorowego (15ml) oraz do zlewki włożyć szklany pręcik

- ogrzewać zlewkę na płycie grzewczej, aż pojawią się gęste pary kwasu nadchlorowego

- pozostawić zlewkę do ostygnięcia

- dodać gorącą wodę drylowaną (150ml) i zamieszać

- roztwór przesączyć do kolby, przepłukać lejek gorącą wodą

- wytrzeć zlewkę kawałkami sączków

- przenieść sączek do uprzednio wyprażonego tygla

- prażyć w temperaturze 1100˚C przez 60minut

- zważyć tygiel z osadem

Oznaczenie strat prażenia:

- zważyć tygiel porcelanowy i dodać ok 1g badanego materiału

- tygiel umieścić w piecu w temperaturze przez 1h

- zważyć tygiel wraz z zawartością

Oznaczenie zawartości siarczanu (SO₃):

- odważyć ok. 1g badanego materiału i przenieść do zlewki (250ml)

- dodać do próbki 100ml roztworu HCl 1:9, zamieszać szklanym pręcikiem, dodać kilka kropli czerwieni metylowej

- ostawić zlewkę na płycie grzewczej, gotować ok. 30 minut.

- zdjąć z płyty grzewczej. W celu wytrącenia wodorotlenku glinu i żelaza należy dodawać kroplami roztworu amoniaku 1:1 (mieszać pręcikiem), pozostawić na kilka minut

- roztwór sączyć do uzyskania ok. 300ml przesączu, przepłukując lejek gorącą wodą destylowaną, a zlewkę 250ml wycierać dokładnie kawałkami sączków

- do przesączu włożyć kawałek sączka i szklaną bagietkę

- zakwasić przesącz dodając kroplami stężonego kwasu solnego (zmiana barwy z żółtej na różową + 3 krople nadmiaru)

- postawić roztwór na płycie grzewczej i ogrzewać do zagotowania

- zdjąć z płyty, dodać ok. 15ml chlorku baru i ponownie postawić roztwór na płycie (gotować 15min)

- zlewkę z przesączem nakryć szkiełkiem zegarkowym na co najmniej 24h

- roztwór sączyć, przepłukując lejek gorącą wodą destylowaną, a zlewkę 400ml wycierać dokładnie kawałkami sączków

- sprawdzić obecność jonów chlorkowych za pomocą próby z azotanem srebra

- przenieść sączek do uprzednio wyprażonego i zważonego tygla porcelanowego

- prażyć w temperaturze przez 30 minut

- zważyć tygiel wraz z osadem

Tlenek żelaza (III) Fe₂O₃:

- odpipetować 50ml roztworu oraz uzupełnić wodą destylowaną do 200ml

- dodać kilka kropel błękitu bromofenolowego do uzyskania lekko żółtego zabarwienia

- dodawać kroplami wody amoniakalnej aż do uzyskania niebieskiego zabarwienia

- dodać 20ml 0,1 M HCl, 15ml roztworu buforowego pH 1,5 i 15 kropli roztworu kwasu salicylowego.

- całość ogrzewać do temperatury 47,5°C i miareczkować do zmiany barwy z fioletowej na żółtą

Tlenek glinu (Al₂O₃):

- dodać octan amonu do niebieskiego zabarwienia, 5 ml kwasu octowego

- dodać 3 krople wersanianu miedzi i 8 kropli wskaźnika PAN, ogrzać do wrzenia

- miareczkować do żółtej barwy

Tlenek wapnia (CaO):

- odpipetować 50 ml roztworu, uzupełnić wodą destylowaną do 200ml

- dodać 20 – 25 roztworu trój etanoloaminy 1:1

- dodać 22ml 15% roztworu NaOH

- dodać wskaźnika do miareczkowania – kalces

- miareczkować do barwy niebieskiej

Tlenek magnezu (MgO):

- odpipetować 50 ml roztworu, uzupełnić wodą destylowaną do 200ml

- dodać 20 – 25 roztworu trój etanoloaminy 1:1

- dodać 12ml stężonego amoniaku 25%

- dodać wskaźnika do miareczkowania

- miareczkować do barwy żółtej

1. Obliczenia:

Zawartość bezwodnika kwasu krzemowego oblicza się z:

$$\text{SiO}_{2}\left\lbrack \% \right\rbrack = \frac{m_{1} - m_{0}}{m_{\text{pr}o\text{bki}}} \bullet 100 = \frac{26,807 - 26,631}{0,974} \bullet 100 = 18,069$$

gdzie: m₁ – masa tygla wraz z osadem po wyprażeniu, [g]

m₀ – masa pustego tygla, [g]

Straty prażenia oblicza się z:

$straty\ prazenia\left\lbrack \% \right\rbrack = \frac{m_{1} - m_{0}}{m_{probki}} \bullet 100 = \frac{22,582 - 22,546}{1,1443} \bullet 100 = 3,094$

gdzie: m₁ – masa tygla wraz z zawartością przed prażeniem, [g]

m₀ – masa tygla wraz z zawartością po wyprażeniu, [g]

Zawartość bezwodnika kwasu siarkowego oblicza się z:

$\text{SO}_{3}\left\lbrack \% \right\rbrack = \frac{m_{1} - m_{0}}{m_{probki}} \bullet 0,343 \bullet 100 = \frac{21,877 - 21,783}{0,955} \bullet 0,343 \bullet 100 = 3,376$

gdzie: m₁ – masa tygla wraz z osadem po wyprażeniu, [g]

m₀ – masa pustego tygla, [g]

Obliczenie Fe₂O₃:

Pomiar I: $\text{Fe}_{2}O_{3}\left\lbrack \% \right\rbrack = \left\lbrack \frac{V \bullet F}{m} \right\rbrack \bullet 2 = \left\lbrack \frac{4 \bullet 0,355}{0,974} \right\rbrack \bullet 2 = 2,916$

Pomiar II: $\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\text{Fe}_{2}O_{3}\left\lbrack \% \right\rbrack = \left\lbrack \frac{4,4 \bullet 0,355}{0,974} \right\rbrack \bullet 2 = 3,207$

Średnia: Fe₂O₃[%] = 3, 062

gdzie: V – objętość roztworu EDTA zużyta do miareczkowania

F – miano roztworu EDTA

m – masa naważki [g]

Obliczenie Al₂O₃:

Pomiar I: $\text{Al}_{2}O_{3}\left\lbrack \% \right\rbrack = \left\lbrack \frac{V_{1} \bullet F}{m} \right\rbrack \bullet 2 = \left\lbrack \frac{10,9 \bullet 0,2266}{0,974} \right\rbrack \bullet 2 = 5,072$

Pomiar II: $\text{Al}_{2}O_{3}\left\lbrack \% \right\rbrack = \left\lbrack \frac{12 \bullet 0,2266}{0,974} \right\rbrack \bullet 2 = 5,584$

Średnia: Al₂O₃[%] = 5, 328

gdzie: V₁ – objętość roztworu EDTA zużyta do miareczkowania Al₂O₃

F – miano roztworu EDTA

m – masa naważki [g]

Obliczenie CaO:

Pomiar I: $\mathbf{\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }}\text{CaO\ }\left\lbrack \% \right\rbrack = \left\lbrack \frac{V \bullet F}{m} \right\rbrack = \left\lbrack \frac{29,2 \bullet 2,0726}{0,974} \right\rbrack = 62,135$

Pomiar II: $\mathbf{\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }}\text{CaO\ }\left\lbrack \% \right\rbrack = \left\lbrack \frac{30 \bullet 2,0726}{0,974} \right\rbrack = 63,837$

Średnia: CaO [%] = 62, 986

gdzie: V – objętość roztworu EDTA zużyta do miareczkowania

F – miano naważki EDTA

m – masa naważki [g]

Obliczenie MgO:

Pomiar : $\text{MgO}\left\lbrack \% \right\rbrack = \frac{\left( V_{2} - V_{1} \right) \bullet F}{m} = \frac{\left( 34,1 - 29,2 \right) \bullet 1,4903}{0,974} = 7,497$

Pomiar II: $\text{MgO}\left\lbrack \% \right\rbrack = \frac{\left( 34 - 30 \right) \bullet 1,4903}{0,974} = 6,120$

Średnia: MgO[%] = 6, 808

gdzie: V₁ – objętość roztworu EDTA zużyta do miareczkowania CaO

V₂ – objętość roztworu EDTA zużyta do miareczkowania MgO

F – miano roztworu EDTA

m – masa naważki [g]

Symbol chemiczny, rodzaj tlenku	Zawartość tabelaryczna [%]	Zawartość otrzymana [%]
SiO2	18 – 25	18,069
SO3	0,8 - 3	3,376
Fe2O3	3 – 4	3,062
Al2O3	4 – 8	5,328
CaO	62 – 68	62,986
MgO	0,5 – 2,5	6,808
SUMA	88,3 – 110,5	99,629

1. Wnioski:

Wyniki jakie uzyskaliśmy na zajęciach zgadzają się z tabelarycznym danymi dla konkretnych związków, wyjątek stanowi zawartość MgO, która znacznie przekracza ten zakres. Po zsumowaniu zawartości związków otrzymanych na zajęciach można zaobserwować, iż mieści się w przedziale tabelarycznym dlatego doświadczenie przebiegło pomyślnie.