Способ определения концентрации солей в водных растворах и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01N5/04 

«

Изобретение относится к технике лабораторного анализа, в частности к весовьтм методам определения концентрации солей в водных растворах, а также устройствам для этой цели, и может найти применение в коксохимической, химической и других отраслях промьтленности.

- Целью изобретения является повышение точности определения путем -.уменьшения потерь растворенного вещества в исследуемом растворе.

На чертеже схематически изображено устройство для определения концентрации солей (с размером А-А).

Устройство состоит из вертикального цилиндрического сосуда 1 для выпаривания, вьтолненного из стекла в виде пробирки и снабженного катализатором, выполненным также из стекла в виде емкости с расширяющейся верхней частью и овальным днищем. Расширенная верхняя часть конденсатора установлена на сосуде для выпаривания, овальное дно расположено внутри сосуда коаксиально с образованием зазора с его боковой стенкой

Сосуд 1 выпаривания внутри имеет шероховатость 2, нанесенную, например, с помощью наждачной бумаги. Конденсатор 3 снабжен патрубками 4 для ввода и вывода хладоносителя, термометром 5, резиновой пробкой 6. Приемник 7 конденсата выполнен также в виде пробирки, объем которой значительно меньше пробирки I и равен (или больше) объему первоначально взятого исследуемого раствора. Конденсатор 3 имеет овальное дно, обеспечивающее сползание капель с его стенок по осевому стержню 8 непосредственно в приемник 7 конденсата (диаметр осевого стержня А-5 мм). Приемник конденсата находится выше уровня 9 органической жидкости (расстояние между дном сосуда 1 и приемника 7-30 мм). Диаметры конденсатора 3 и приемника 7 конденсата одинаковы и составляют 14-15 мм (высота их примерно одинакова и составляет около 25-26 мм), а величина зазора между их стенками и стенкой сосуда 1 должна исключать вероятност соприкосновения капель конденсирую- ш,ейся жидкости со стенками пробирки 1, внутренний диаметр которой составляет 20-22 мм, а высота 90- 92 мм.

379532

Верхняя граница 10 шероховатости 2 расположена на 4-5 мм исходного уровня II раствора. Для центровки приемника 7 конденсата от- 5 носительно сосуда 1 для выпаривания в стенках последнего сделаны четыре углубления 2.

Способ осуществляют следующим образом.

0 1

В сосуд 1 для вьтаривания (предварительно взвешенный) осторожно пипеткой заливают 1-2 мм анализируемого раствора. Затем снова взвешивают

5 ( допуская сильного встряхивания) и наливают 4-5 мл органической жидкости из класса предельных или ароматических углеводородов. Сосуд 1 для вьтаривания размещают над элек0 тррплиткой или другим источником тепла и помещают в него конденсатор 3, в нижнюю часть которого предварительно наливают доверха ту же органическую жидкость, что ив сосуд 1

5 для выпаривания. Конденсатор устанавливают таким образом, чтобы его расширяющаяся часть касалась торца сосуда 1 и служила ему пробкой. Дно сосуда 1 должно находиться над поверхностью электроплитки на расстоя НИИ 1-2 см. Под сосуд укладывают асбестовый круг, чтобы уменьшить теплопередачу через его дно. Нагрев регулируК1Т, чтобы кипение было только в верхнем слое. В верхнюю часть конденсатора 3 подводят воду и следят за тем, чтобы температура ее обеспечивала полную конденсацию паров, регулируя подачу свежей воды через один из патрубков 5. Упаривание ведут до полного исчезновения нижнего слоя - слоя анализируемого раствора. Выделяемые в процессе кипения пары органической жидкости и воды конденсируются на стенках конденсатора 3 и стекают в приемник 7 конденсата. Так как вода имеет плотность вьште органической жидкости, то она каплями стекает на дно приемника 7 конденсата и вытесняет

при этом органическую жидкость, которая стекает вниз и занимает ее объем в сосуде 1 для вьтаривания.

В процессе выпаривания въщеление твердой фазы происходит преимущест55 венно на шероховатых стенках 2 сосуда ( ji не в объеме раствора) в виде пористого монолита, расположенного в слое органической жидкости.

0

0

Вьшаривание ведут до полного исчезновения нижнего слоя жидкости слоя анализируемого раствора, Зате конденсатор осторожно извлекают из сосуда 1 для выпаривания и выпаривание продолжают до исчезновения верхнего слоя, после чего сосуд 1 с твердым остатком и остатком органической жидкости вьщерживают в сушильном шкафу до постоянного веса.

Наличие шероховатости 2 на стенках пробирки 1 способствует упорядоченному протеканию кипения в пристеночной кольцевой зоне и выделению кристаллического осадка по кольцевой зоне, прочно сцепленного со стенками сосуда.

Наличие слоя органической жидкости над упариваемым раствором предотвращает вьтаривание твердой соли из сосуда и брызгоунос с его поверхности.

Однако, если при выпаривании раствора под слоем органической жидкости имеет место кипение нижнего слоя, т.е. раствора, то раствор концентрируется (как следствие, образуется тонкодисперсный осадок на дне) и пузырьки водяного пара, даже пройдя верхний защитный слой жидкости, выносят раствор в виде тончайшей пленки на поверхность. Кроме того, например, роданистый аммоний таким путем вообще невозможно выделить в кристаллическом виде (без охлаждения) , так как в конечном итоге на дне сосуда остается расплав, содержащий незначительное количество воды. Это исключается, если кипение протекает только в верхнем слое путем образования центров кипения на границе раздела двух жидкостей или на стенке сосуда, инкрустированной выделившейся из раствора твердой фазой.

Опытным путем установлено, что наибо- 5 нистого аммония (по 1-2 м.п) , так как лее подходящими веществами для верхнего слоя являются органические жид- ; кости, в которых практически не растворяются компоненты анализируемого раствора (в том числе воды) и имею- 50 щие температуру кипения ниже . В случае применения более высококипящих жидкостей трудно- исключить кипение нижнего слоя (что вообще неприемлемо, например, для роданистых 55 солей), кроме того, затрудняется процесс сущки (что неприемлемо для термолабильных веществ). В некоторых

эту соль наиболее трудно выделить в кристаллическом виде путем вьтаривания раствора. Максимальная продолжительность выпаривания раствора составляла около 4 ч или определялась исчезновением нижнего слоя жидкости (так как выделялась твердая фаза). После выпаривания раствора приспособление извлекали из сосуда 1 и отго-, няли органическую жидкость. Остаток жидкости удаляли высушиванием. Результаты опытов представлены в табл.1

10

2379534

случаях организовать требуемый режим кипения возможно лишь применением инициатора кипения (например, графита) путем внесения очень малого количества в сосуд для упаривания перед взвешиванием и заливом раствора. Соотношение исходных объемов анализируемого раствора и органической жидкости должно быть таким, чтобы в процессе вьшаривания раствора выделившаяся твердая фаза постоянно находилась ниже уровня органической жидкости. Опытным путем установлено, что данное усповие обеспечивается, если исходный объём раствора равен 1-2 мл, а органической жидкости 4- 5 мл.

t5

Пример. Опыты проводили в предлагаемом устройстве. При взвешивании сосуда I для вьтаривания (пустого, с раствором, с высушенньм твердым остатком) последний закрывался пробкой . Сушку осуществляли в

25

шкафу веса.

при 100 С до постоянного

В первой серии опытов в качестве верхнего слоя применяли такие органические жидкости, как изоамиловый спирт, толуол, бензол, гексан, гептан, нонан (брали по 4-5 мл) .. Нагрев осуществляли с помощью электроплитки с закрытой спиралью. Сосуд для вьтаривания закрепляли таким образом, чтобы дно его находилось на расстоянии 10-20 мл от поверхности плитки, а под дном укладашали асбестовый круг диаметром около 20 мм. Такой подвод тепла исключал концентрацию паров на .стенках сосуда для вьшаривания.

Для анализа брали раствор рода-

нистого аммония (по 1-2 м.п) , так как

эту соль наиболее трудно выделить в кристаллическом виде путем вьтаривания раствора. Максимальная продолжительность выпаривания раствора составляла около 4 ч или определялась исчезновением нижнего слоя жидкости (так как выделялась твердая фаза). После выпаривания раствора приспособление извлекали из сосуда 1 и отго-, няли органическую жидкость. Остаток жидкости удаляли высушиванием. Результаты опытов представлены в табл.1

Изо амиловый спирт

59,180

Толуол

59,180

Бензол

59,180

59,174

59,180 59,180

59,176

Нонан

59,180

В числителе - значения, полученные при выпаривании в присутствии порошкообразного графита на границе раздела жидкостей, в знаменателе т- без графита.

Таблица 1

Инициатор кипения не оказывает влияния на процесс кипения, которое протекает преимущественно в нижнем слое. Твердая фаза не выделя- ется. Соль частично растворяется в спирте.

Инициатор кипения не оказывает влияния на процесс кипения. Кипит нижний слой. В конце опыта на дне пробирки (расплав),

Г нициатор кипения не Олса- зывает влияния на процесс кипения, которое наблюдаеся только в верхнем слое, образовалась твердая фаза н виде отложения на стенк пробирки

Кипение верхнего слоя только в присутствии инициатора кипения на границе раздела жидкостей (твердая фаза вьщеля- ется). Без порошка кипит нижний слой, твердая фаза не образуется

Инициатор кипения незначительно влияет на процесс кипения, однако кипит преимущественно нижний слой. Твердая фаза не выделяется.

Из табл. 1 следует, что для исследуемой соли такие жидкости, как изоамиловый спирт, толуол, нонан неприемлемы, так как в процессе выпаривания выделить соль в кристаллическом виде невозможно - образуется расплав с примесями воды. Кроме того, соль частично растворяется в спирте и при разрушении пузырьков пара на поверхности имеет место разбрызгивание и потери растворенной соли (наблюдалось визуально).

Жидкости с температурой кипения значительно ниже (бензол, гек- сан) способствуют кипению только верхнего слоя с зарождением пузырьков на границе верхнего и нижнего слоев, что обеспечивает выделение твердой фазы в верхнем слое на стенках сосуда для вьтаривания. Гептан, имеющий температуру кипения 98,4 С, в данном случае может быть использован лишь в сочетании с инициатором кипения (графитом), инициирующим зарождение пузырьков пара на граниВ чашке над электроплиткой

Без графита. С графитом.

Как видно из табл. 2, при определении концентрации раствора по известному способу (опыт I) абсолютная погрешность превьш1ает 0,2%, По предложенному способу данная ве- пичина составляет менее 0,01%.

це раздела жидкости и определенными . условиями нагрева (при сильном нижнем нагреве начинается кипение и в нижнем слое).

Во всех случаях вьщеление твердой фазы происходит только при условии кипения верхнего слоя (опыты 3,4,5).

Q Таким образом, выделение твердого остатка без потери вьшариванием раствора возможно лишь под слоем органической жидкости, например из класса предельных или ароматических

5 углеводородов, при условии кипения только верхнего слоя. Наиболее подходящими являются соединения, кипящие ниже , такие как бензол, гексан, гептан. Эти вещества пред0 почтительнее еще и потому, что облегчается окончательная сушка твердого остатка, что особо важно для термолабильных соединений.

В табл. 2 приведены эксперимен5 тальные данные по определению концентрации раствора сульфата аммония в сравнении с известным способом. Таблица 2

42,554 42,370

Таким образом, предложенный способ позволяет значительно повысить точность определения концентрации солей за счет уменьшения потерь вещества при вьтариванни раствора.

1. Способ определения концентрации солей в водных растворах, включающий взвешивание навески исходного раствора, выпаривание, сушку остатка и последующее взвешивание сухого остатка, отличающийся тем, что, с целью повьгаения точности определения, выпаривание раствора ведут под слоем органической жидкости, а образующиеся пары конденсируют и возвращают в сосуд с исследуемой навеской. 2.Способ по п. 1, отличающий с я тем, что в качестве органической жидкости берут бензол, гек- сан, гептан. 3.Способ по п. 1,отл.ичаю- щ и и с я тем, что при использовании в качестве органической жидкости гептана в него вводят графит. 4.Устройство для определения концентрации солей в водных растворах, включающее сосуд для вьтаривания, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения, сосуд для выпаривания снабжен конденсатором с патрубками для ввода и вывода хладагента и приемником конденсата, конденсатор выполнен в виде емкости с расширяющейся верхней частью и овальным днищем, расширенная верхняя часть конденсатора установлена на верхней торцовой части сосуда для вьтаривания, а овальное дно расположено внутри сосуда коаксиаль- но с образованием зазора с его боковой стенкой, приемник конденсата расположен в сосуде под конденсатором и жестко соединен с ним осевым стержнем. i (Л с vl :о :ji :о