Анализ сплава на основе железа — Неорганическая химия для олимпиад
Неорганическая химияКурс для олимпиад

Анализ сплава на основе железа

9 заданий

Схема анализа

Нержавеющая сталь, инвар и ферросплавы относятся к сплавам на основе железа; среди нихромов также есть железосодержащие марки. В состав таких сплавов могут входить Cr, Ni, Mn, Co, Mo, V. Чтобы определить содержание каждого металла избирательным методом, сначала выбирают способ растворения сплава, а затем решают, нужно ли разделять компоненты.

  1. Растворение. Сталь растворяют в смеси соляной и азотной кислот: в одной азотной кислоте нержавеющая сталь пассивируется.
  2. Разделение по группам. Способ разделения зависит от свойств металлов в выбранной среде:
  3. Избыток аммиака осаждает \(\ce{Fe(OH)3}\), \(\ce{Cr(OH)3}\), \(\ce{Al(OH)3}\). Аммиачные комплексы Ni, Co, Cu, Zn остаются в растворе.
  4. NaOH с \(\ce{H2O2}\) осаждает \(\ce{Fe(OH)3}\), \(\ce{Ni(OH)2}\), \(\ce{MnO(OH)2}\), \(\ce{CoO(OH)}\). Хром переходит в раствор в виде хромата, а алюминий — в виде алюмината.
  5. Маскирование. Иногда разделение можно заменить маскированием: вещество удерживает мешающий компонент в растворе и позволяет определить другой компонент. Например, винная кислота (тартрат) удерживает железо в растворе при подщелачивании. Поэтому никель можно осадить диметилглиоксимом непосредственно из раствора стали.

scienceРазделение металлов

  1. \(\ce{Fe^3+ + 3NH3 + 3H2O -> Fe(OH)3 v + 3NH4+}\) — при добавлении аммиака ионы железа(III) образуют осадок гидроксида.
  2. \(\ce{Ni^2+ + 6NH3 -> [Ni(NH3)6]^2+}\) — ионы никеля образуют растворимый аммиачный комплекс.
  3. \(\ce{2Cr^3+ + 3H2O2 + 10OH- -> 2CrO4^2- + 8H2O}\) — в щелочной среде пероксид водорода окисляет хром(III) до хромата.
  4. \(\ce{Al^3+ + 4OH- -> [Al(OH)4]-}\) — в избытке щёлочи алюминий переходит в раствор в виде алюмината.

boltПроверка полноты анализа

Сумма массовых долей всех компонентов должна быть близка к 100 %; при проверке учитывают углерод, кремний и другие элементы. Если сумма составляет 103 %, следует искать ошибку определения или мешающее влияние. Сумма 90 % указывает, что какой-то компонент не учтён.

Железо, никель, хром

После подготовки раствора для каждого металла выбирают свой способ определения. Во всех расчётах сначала находят количество или массу металла, а затем относят результат к массе навески.

  • Железо. Перед титрованием железо восстанавливают до \(\ce{Fe^2+}\). При титровании раствором перманганата количество железа рассчитывают по формуле \(n(\ce{Fe}) = 5\,c(\ce{KMnO4})V\).
  • Никель. Никель осаждают диметилглиоксимом и взвешивают осадок. Массу никеля находят по формуле \(m(\ce{Ni}) = m(\text{осадка})\cdot\dfrac{58{,}69}{288{,}91}\): в осадке содержится 20,3 % никеля.
  • Хром. Хром окисляют до Cr(VI) и титруют солью Мора. Количество хрома рассчитывают по соотношению \(n(\ce{Cr}) = n(\ce{Fe^2+})/3\). Если других компонентов нет, долю хрома можно найти по разности.

edit_noteНержавеющая сталь

Масса навески составляет 0,5000 г. На титрование железа израсходовано 26,50 мл 0,0500 М \(\ce{KMnO4}\), поэтому \(n(\ce{Fe}) = 5\cdot1{,}325 = 6{,}625\) ммоль. Это соответствует 370,0 мг железа, или 74,0 % навески. Масса осадка никеля с диметилглиоксимом составляет 0,1969 г; ей соответствуют 40,0 мг никеля, или 8,0 %. Если другими компонентами пренебречь, доля хрома по разности составляет 18,0 %. Полученный состав обозначают как сталь 18/8.

errorПересчёт результата для аликвоты

Аликвотой называют отобранную часть раствора. Если анализируют аликвоту, а не весь раствор навески, найденный результат умножают на отношение объёмов. Например, если из 250 мл раствора взяли 25 мл, множитель равен 10. Без этого пересчёта результат нельзя отнести ко всей навеске.

Марганец и итоговая проверка

Марганец в стали определяют фотометрически. После растворения навески марганец окисляют персульфатом аммония в присутствии катализатора \(\ce{Ag+}\) или периодатом. Образовавшийся малиновый перманганат определяют по оптической плотности раствора при 525 нм (\(\varepsilon \approx 2300\) л/(моль·см)). Поскольку хром(VI) тоже немного поглощает свет при этой длине волны, его вклад необходимо вычесть. Для этого измеряют оптическую плотность раствора сравнения, в котором перманганат избирательно восстановлен нитритом, а хром(VI) при этом сохраняется.

scienceФотометрическое определение марганца

  1. \(\ce{2Mn^2+ + 5S2O8^2- + 8H2O ->[Ag+] 2MnO4- + 10SO4^2- + 16H+}\) — в присутствии ионов серебра персульфат окисляет марганец(II) до перманганата.
  2. \(\ce{2Mn^2+ + 5IO4- + 3H2O -> 2MnO4- + 5IO3- + 6H+}\) — периодат также окисляет марганец(II) до перманганата.
  3. \(\ce{2MnO4- + 5NO2- + 6H+ -> 2Mn^2+ + 5NO3- + 3H2O}\) — при подготовке раствора сравнения нитрит восстанавливает перманганат.

boltРасчёт массовой доли по оптической плотности

Из измеренной оптической плотности \(A\) находят концентрацию перманганата: \(c = A/(\varepsilon l)\) (моль/л). Затем рассчитывают количество вещества по формуле \(n = cV\), подставляя объём мерной колбы в литрах. Массу находят по формуле \(m = nM\), а массовую долю — по формуле \(w = m/m_\text{навески}\). Для проверки порядка величины полезно помнить: в углеродистых сталях содержание марганца составляет 0,3–1 %, а в стали Гадфилда — 12–14 %.

auto_awesomeСпектральный анализ стали

Сегодня на заводе сталь можно проанализировать за минуту искровым оптико-эмиссионным спектрометром. При искровом разряде испаряется небольшое количество металла, а интенсивность спектральных линий позволяет определить сразу десятки элементов. Такие приборы градуируют по стандартным образцам, состав которых установлен методами химического анализа, в том числе титрованием и гравиметрией.

push_pinГлавное

Анализ сплава начинают с растворения в кислотах (HCl + \(\ce{HNO3}\)), после чего выбирают способ разделения и определения металлов. Железо восстанавливают до \(\ce{Fe^2+}\) с помощью \(\ce{SnCl2}\) или цинка и титруют \(\ce{KMnO4}\)/\(\ce{K2Cr2O7}\); перед титрованием исключают влияние оставшегося восстановителя и хлорид-ионов. При определении никеля железо маскируют тартратом, а никель осаждают диметилглиоксимом в аммиачной среде; осадок содержит 20,3 % Ni. Хром окисляют персульфатом до \(\ce{Cr2O7^2-}\) и титруют солью Мора. Марганец окисляют персульфатом в присутствии \(\ce{Ag+}\) до \(\ce{MnO4-}\) и определяют фотометрически при 525 нм. Если требуется разделение, избыток аммиака оставляет Fe, Cr, Al в осадке, а Ni, Co, Cu, Zn — в растворе; при действии NaOH + \(\ce{H2O2}\) в осадке оказываются Fe, Ni, Mn, Co, тогда как Cr в виде хромата и Al в виде алюмината остаются в растворе.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Неорганическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — авторская, по официальным комплектам ВсОШ, «Высшей пробы», «Ломоносова» и программе IChO; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.