Переведение веществ в раствор
Растворение в кислотах. Многие металлы и сплавы, а также некоторые руды для проведения анализа растворяют в кислоте или смеси кислот. Лучшим растворителем для руд и многих металлов является соляная кислота. Растворение проводят в стакане или в конической колбе при нагревании на песочной бане или на электроплитке. Для уменьшения выпаривания кислоты стакан или колбу накрывают часовым стеклом. Если растворение продолжается долго и в колбе остается небольшое количество жидкости, то время от времени следует добавлять небольшими порциями кислоту или воду (в случае растворения в H2SO4).
Растворение следует считать законченным, когда нерастворимый остаток, образовавшийся на дне стакана или колбы, взмучивается при взбалтывании раствора и медленно оседает на дно. Нерастворимый остаток при растворении руд состоит главным образом из диоксида кремния (SiO2) серо-беловатого цвета. Остаток при растворении металлов и сплавов может быть темного или серого цвета (графит, карбиды, кремневая и вольфрамовая кислоты). Если в нерастворимом остатке имеются черные частицы, которые хрустят при надавливании стеклянной палочкой и не размельчаются, это указывает на то, что растворение еще не закончено.
Если черные частицы не исчезают при дальнейшем нагревании раствора в течение 20-30 мин, то его разбавляют равным объемом горячей воды, дают осадку отстояться и фильтруют через бумажный фильтр «белая лента». Осадок переводят на фильтр и промывают 5-6 раз, 3%-ным (по объему) горячим раствором кислоты, а затем 2-3 раза горячей водой. Влажный осадок с фильтром помещают в платиновый тигель, сушат на слабом пламени горелки, затем сжигают и озоляют фильтр. Прибавляют к остатку 3 г безводного карбоната натрия (или 3 г смеси Na2CO3 и K2CO3) и нагревают на горелке, постепенно усиливая нагревание, до расплавления содержимого тигля. При сплавлении диоксид кремния переводится в легкорастворимый силикат натрия:
Сплавление считается законченным, когда масса в тигле становится совершенно однородной, прозрачной и легкоподвижной. После сплавления тигель с массой охлаждают и помещают в стакан с 30-40 мл воды, закрывают стакан часовым стеклом и приливают небольшими порциями соляную кислоту по стенке стакана, слегка сдвинув стекло до прекращения выделения пузырьков диоксида углерода. Тигель вынимают стеклянной палочкой и обмывают. Раствор фильтруют (отделяя SiO2, который выделяется под действием кислоты) и присоединяют к основному раствору навески (см. выше).
Иногда навески руды (или сплава), содержащие много кремния, растворяют в смеси серной и фтористоводородной кислот. При этом образуется летучее соединение - фторид кремния, которое улетучивается из анализируемого материала:
Навеску помещают в платиновую чашку (или тигель), смачивают несколькими каплями воды, приливают 3-5 мл концентрированной серной кислоты и 20-30 мл фтористоводородной кислоты. Нагревают на песочной бане до выделения густых белых паров. Если остались темные частицы, то добавляют еще фтористоводородной кислоты и повторяют нагревание до выделения белых паров. После разложения навески раствор в чашке охлаждают, разбавляют водой и снова выпаривают до выделения паров. Выпаривание повторяют еще 2-3 раза, затем полученный раствор сульфатов переводят в стеклянную посуду и проводят его анализ.
Иногда вместо смеси серной и фтористоводородной кислот применяют смесь азотной или соляной кислоты с фтористоводородной (растворение ведут в платиновой посуде). Применяют также смеси кислот: «царскую водку» - смесь 3 частей концентрированной HCl и 1 части концентрированной HNO3; «обратную царскую водку» - смесь 3 частей концентрированной HNO3 и 1 части концентрированной HCl; смесь трех кислот: азотной, серной и фосфорной при определении Mn в стадиях; смесь соляной, азотной и хлорной кислот при определении кремния в сталях и т.д. Выбор растворителя и способа переведения вещества в раствор зависит от схемы дальнейшего хода анализа и природы анализируемой пробы.
Переведение силикатов в раствор. Большинство силикатов нерастворимо в воде; растворимы лишь силикаты щелочных металлов. Для переведения силикатов в раствор их сплавляют с так называемыми «плавнями». В качестве плавней (см. ниже) применяют карбонат натрия, смесь карбонатов натрия и калия, иногда триоксид бора или тетраборат натрия (буру), пиросульфат калия или бисульфат калия, смесь карбоната натрия с нитратом калия или с хлоратом калия (бертолетовой солью), пероксид натрия. Для сплавления прокаленных смешанных оксидов, образовавшихся в ходе анализа, применяют главным образом пиросульфат калия. Плавни-окислители (пероксид натрия, смесь карбоната натрия с нитратом натрия или с хлоратом калия) применяют в тех случаях, когда нужно окислить определяемый компонент.
В результате сплавления с карбонатом натрия или со смесью карбонатов натрия и калия силикат переходит в растворимую форму. Металлы при этом образуют карбонаты, которые переводятся в раствор действием кислоты. Например:
При растворении плава в кислоте выделяется кремневая кислота:
Образовавшаяся кремневая кислота большей частью остается в растворе в виде гидрозоля. Чтобы перевести ее в осадок, раствор плава выпаривают досуха и остаток высушивают; при этом кремневая кислота из гидрозоля переходит в нерастворимый гидрогель.
Сплавление силикатов. Навеску тонкоизмельченного силиката (1 г) помещают в прокаленный и взвешенный платиновый тигель. На лабораторных технохимических весах взвешивают 6-кратное количество карбоната натрия. Примерно 3/4 взятого количества плавня вносят в тигель и тщательно перемешивают его с навеской силиката тонкой стеклянной палочкой или платиновой проволочкой до получения однородной смеси. Смешивание нужно вести осторожно, так, чтобы не распылить смесь и полностью смешать навеску с плавнем. После окончания смешивания палочку очищают остатком плавня и высыпают его в тигель, покрывая смесь силиката с плавнем.
Тигель помещают в фарфоровый треугольник, закрывают платиновой крышкой и нагревают на слабом пламени газовой горелки. Смесь в тигле постепенно прогревают, перемещая пламя от края дна тигля к его середине до начала спокойного плавления. Нагревание следует вести верхней частью пламени, направленной под углом к тиглю и не охватывающей всего тигля. Сплавление продолжают до прекращения выделения пузырьков диоксида углерода, на что требуется обычно 30-40 мин.
Нагревать дно тигля сразу не рекомендуется, так как слой, прилегающий ко дну, начинает при этом плавиться и выделяющиеся пузырьки диоксида углерода могут унести из тигля легкие сухие частицы верхнего слоя. По окончании сплавления плав становится стекловидно-прозрачным, не содержащим темных неразложившихся частиц. Иногда плав может оказаться более или менее мутным, и хотя это не является признаком незаконченного сплавления, для полной уверенности тигель, закрытый крышкой, нагревают 5-6 мин на паяльной горелке (900 °С).
В конце сплавления крышку с тигля снимают щипцами с платиновыми наконечниками и кладут ее на керамическую пластинку внутренней стороной вверх, тигель щипцами вынимают из треугольника и наклоняют в разные стороны, чтобы плав, охлаждаясь, равномерно распределялся тонким слоем по стенке тигля. Этот прием в дальнейшем облегчит извлечение плава из тигля.
После полного охлаждения плав из тигля переводят в фарфоровую чашку. Для этого тигель переворачивают вверх дном над чашкой и легким постукиванием пальцем по дну заставляют плав выпасть в чашку. Если платиновый тигель отполирован хорошо, то это легко удается. Иногда плав не отстает от стенок тигля, в этом случае тигель слеша нагревают на горелке так, чтобы расплавить только часть плава, прилегающую к стенкам тигля. После этого плав из тигля легко удаляется. Можно также после сплавления горячий тигель погрузить до половины в холодную воду, чтобы плав растрескался. При этом нужно следить, чтобы вода не попала в тигель. После охлаждения растрескавшийся плав при легком сдавливании стенок легко выпадает из тигля.
В чашку к плаву приливают 10-15 мл воды, нагревают чашку часовым стеклом и приливают небольшими порциями около 20 мл концентрированной соляной кислоты, легко сдвинув стекло в сторону. Кислоту прибавляют так, чтобы выделение CO2 происходило спокойно, без разбрызгивания.
После полного растворения частиц плава часовое стекло хорошо обмывают над чашкой горячей водой из промывалки. Если частицы растворились не полностью, их размельчают стеклянной палочкой, сделанной в виде пестика. Раствор в чашке должен быть совершенно прозрачным. В нем может быть виден белый студенистый осадок выделившейся кремневой кислоты SiO2-nH2O. Частиц, имеющих вид песчинок и хрустящих при легком надавливании стеклянной палочкой, в растворе быть не должно. Присутствие таких частиц является признаком неполноты сплавления. В этом случае берут новую навеску и повторяют оплавление при более высокой температуре, увеличив продолжительность операции. Для извлечения из тигля оставшихся частиц в него наливают 8-10 мл разбавленной (1:1) соляной кислоты и накрывают тигель крышкой. Через несколько минут, когда частицы плава растворятся, крышку снимают, тигель наклоняют и поворачивают, чтобы смочить кислотой его внутреннюю поверхность. Раствор из тигля переводят в чашку, тигель несколько раз обмывают горячей водой из промывалки, держа ее над чашкой. Крышку тигля обмывают над чашкой разбавленной HCl, а затем водой.