11

Приборы и методы исследования Приборы и методы исследования в технологии неорганических в технологии неорганических

веществвеществ

РазработалаРазработала Фролова И.В.Фролова И.В.

ОСНОВЫ ПОСТАНОВКИ И ВЫПОЛНЕНИЯОСНОВЫ ПОСТАНОВКИ И ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для получения достоверного научного результата в Для получения достоверного научного результата в химии и химической технологии необходимы:химии и химической технологии необходимы:

правильная постановка задачи исследования,правильная постановка задачи исследования,

обоснованный выбор объекта изучения - явления обоснованный выбор объекта изучения - явления или процесса, вещества или материала - в или процесса, вещества или материала - в соответствии с задачей работы,соответствии с задачей работы,

тщательная разработка методики исследования с тщательная разработка методики исследования с определением нужных для этого методов изучения определением нужных для этого методов изучения выбранного объекта.выбранного объекта.

22

33

МетодикаМетодика (от греч. (от греч. methodikmethodikë) - ë) - совокупность способов целесообразного совокупность способов целесообразного проведения работы.проведения работы.При разработке методики исследования При разработке методики исследования решается целый ряд вопросов, связанных с решается целый ряд вопросов, связанных с подготовкой веществ или материалов к подготовкой веществ или материалов к изучению, комплексным использованием изучению, комплексным использованием применяемых методов, квалифицированной применяемых методов, квалифицированной обработкой, оценкой и интерпретацией обработкой, оценкой и интерпретацией результатов, написанием отчета о проведенной результатов, написанием отчета о проведенной научно-исследовательской работе, подготовкой научно-исследовательской работе, подготовкой заявки на изобретение или статьи по заявки на изобретение или статьи по полученным результатам и т.д.полученным результатам и т.д.

44

При разработке химико-технологических При разработке химико-технологических методов, например, при поиске способов методов, например, при поиске способов извлечения ценных элементов из минеральных извлечения ценных элементов из минеральных продуктов, наряду с обычной схемой исследования, продуктов, наряду с обычной схемой исследования, предусматривающей последовательное выявление предусматривающей последовательное выявление роли отдельных факторов на показатели процесса, роли отдельных факторов на показатели процесса, для сокращения пути исследования целесообразно для сокращения пути исследования целесообразно использовать математическое планирование использовать математическое планирование эксперимента или детальное минералогическое эксперимента или детальное минералогическое изучение исходных продуктов, а также изучение исходных продуктов, а также существующие сведения о методах переработки существующие сведения о методах переработки продуктов аналогичного состава. С этой же целью продуктов аналогичного состава. С этой же целью применяется моделирование процессов на ЭВМ.применяется моделирование процессов на ЭВМ.

55

Ошибки наблюдения, зависящие от Ошибки наблюдения, зависящие от случайных причин и несовершенства случайных причин и несовершенства органов чувств наблюдателя, органов чувств наблюдателя, называются называются случайнымислучайными..

Ошибки, которые зависят от Ошибки, которые зависят от постоянных причин и повторяются постоянных причин и повторяются при всех наблюдениях, называются при всех наблюдениях, называются систематическимисистематическими..

Обработка результатов наблюдения

66

Среднее арифметическое значение результатов наблюдения равно их сумме, деленной на число наблюдений.

Абсолютной ошибкой наблюдения называется разница между средним арифметическим и результатом наблюдения.

Средняя квадратичная ошибка характеризует точность результатов наблюдений. Для уменьшения средней квадратичной ошибки необходимо повторить, а иногда и удлинить серию наблюдений, обращая особое внимание на точность отсчетов на приборах.

Систематические ошибкиСистематические ошибки устраняются калибровкой приборов или устраняются калибровкой приборов или проверкой наблюдений по стандартным проверкой наблюдений по стандартным образцам или эталонам.образцам или эталонам.

77

№ опыта

Процессы Температура Поправка∆ = Тст –

Ткалтабличная по

термометру

1 Плавление льда 0,00 –0,13 +0,13

2 Переход Na2SO4∙10H2O→Na2SO4

32,38 32,24 +0,14

3 Переход NaBr∙2H2O→NaBr

50,67 50,65 +0,02

4 Плавление нафталина 80,03 80,04 –0,01

5 Кипение воды 100,00 100,04 –0,04

На основании полученных данных строится график На основании полученных данных строится график поправок для любых температур в заданном интервале.поправок для любых температур в заданном интервале.

88

Пример калибровки термометра

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯКЛАССИФИКАЦИЯ

Применяемые в неорганической химии методы Применяемые в неорганической химии методы исследования можно разделить на три большие исследования можно разделить на три большие группы:группы:

химическиехимические, основанные на химических реакциях , основанные на химических реакциях изучаемого вещества с реагентом;изучаемого вещества с реагентом;

физическиефизические, в которых измеряется свойство, , в которых измеряется свойство, непосредственно зависящее от природы атомов и непосредственно зависящее от природы атомов и молекул и их концентрации в веществе;молекул и их концентрации в веществе;

физико-химическиефизико-химические, в которых определяются , в которых определяются изменения физических свойств системы в результате изменения физических свойств системы в результате химических или электрохимических реакций.химических или электрохимических реакций.

99

Отбор и подготовка проб материала для Отбор и подготовка проб материала для проведения анализовпроведения анализов

При использовании в производстве поступающих партий сырья, При использовании в производстве поступающих партий сырья, при оценке новых месторождений сырья, а также при при оценке новых месторождений сырья, а также при выполнении любых исследований и технологических выполнении любых исследований и технологических разработок необходимо проводить определенный комплекс разработок необходимо проводить определенный комплекс анализов, зависящий от требований к данному виду сырья. анализов, зависящий от требований к данному виду сырья.

Отобранные пробы материала должны быть небольшими и в то Отобранные пробы материала должны быть небольшими и в то же время достаточно представительными с тем, чтобы с же время достаточно представительными с тем, чтобы с заданной точностью отражать физико-химические свойства заданной точностью отражать физико-химические свойства всей массы материала. Такие пробы обычно называются всей массы материала. Такие пробы обычно называются средними.средними.

Пробы подразделяют на первичные, отбираемые от всей Пробы подразделяют на первичные, отбираемые от всей партии материала, и лабораторные, используемые для партии материала, и лабораторные, используемые для соответствующих испытаний.соответствующих испытаний.

1010

Сокращение проб сырьевых Сокращение проб сырьевых материаловматериалов

Отобранная представительная средняя Отобранная представительная средняя проба как правило существенно превышает проба как правило существенно превышает то количество материала, которое то количество материала, которое непосредственно используют для испытаний. непосредственно используют для испытаний. Так, для лабораторных испытаний сырья Так, для лабораторных испытаний сырья обычно достаточно 3-5 кг материала. обычно достаточно 3-5 кг материала. Поэтому взятую первоначальную пробу Поэтому взятую первоначальную пробу превращают в среднюю лабораторную, превращают в среднюю лабораторную, сокращая ее по определенным правилам.сокращая ее по определенным правилам.

1111

методы сокращения пробметоды сокращения проб

метод квартования метод квартования – – перемешанный перемешанный материал располагают в виде диска материал располагают в виде диска равномерной толщины, который делят двумя равномерной толщины, который делят двумя взаимоперпендикулярными диаметрами на взаимоперпендикулярными диаметрами на четыре части. Две противоположные четыре части. Две противоположные четверти отбрасывают. Оставшиеся четверти четверти отбрасывают. Оставшиеся четверти ссыпают на конус, трехкратно перемешивают, ссыпают на конус, трехкратно перемешивают, превращают в диск и снова квартуют. Эти превращают в диск и снова квартуют. Эти операции продолжают до тех пор, пока не операции продолжают до тех пор, пока не получают пробу требуемой массы.получают пробу требуемой массы.

1212

методы сокращения пробметоды сокращения проб

метод квадратованияметод квадратования – – применяют при применяют при сокращении относительно небольшого сокращении относительно небольшого количества мелкого материала. Материал количества мелкого материала. Материал перемешивают и разравнивают на гладкой перемешивают и разравнивают на гладкой чистой поверхности в виде тонкого слоя чистой поверхности в виде тонкого слоя одинаковой толщины. Слой делят на равные одинаковой толщины. Слой делят на равные квадраты, после чего из каждого квадрата квадраты, после чего из каждого квадрата отбирают небольшие порции от всей толщи отбирают небольшие порции от всей толщи материала. Отдельные порции объединяют в материала. Отдельные порции объединяют в средние пробы.средние пробы.

1313

ДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВДИСПЕРСИОННЫЙ АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ

В технологии неорганических веществ используется В технологии неорганических веществ используется большое количество сырьевых материалов: твердых, большое количество сырьевых материалов: твердых, жидких и газообразных. Особое место среди них занимает жидких и газообразных. Особое место среди них занимает минеральное сырье – фосфориты, апатиты, серный минеральное сырье – фосфориты, апатиты, серный колчедан, глинозем, сода, известняк и др., поступающие на колчедан, глинозем, сода, известняк и др., поступающие на производство в вагонах, машинах, и представляющие собой производство в вагонах, машинах, и представляющие собой смесь кусков различной крупности с более мелкими смесь кусков различной крупности с более мелкими частицами, включающими пылевидную фракцию.частицами, включающими пылевидную фракцию.

Важной подготовительной операцией при использовании Важной подготовительной операцией при использовании таких материалов является измельчение. При этом от таких материалов является измельчение. При этом от размера частиц (кусков) зависит скорость и полнота размера частиц (кусков) зависит скорость и полнота протекания различных процессов, идущих в твердофазном, протекания различных процессов, идущих в твердофазном, жидкофазном и газообразном состоянии.жидкофазном и газообразном состоянии.

1414

1515

Для контроля процесса помола применяют дисперсионный анализ, который насчитывает несколько десятков разновидностей: ситовой, седиментационный (воздушная и жидкостная седиментация, оседание в гравитационном поле, весовые способы и приборы, отмучивание суспензии, пипеточные способы, роторные центрифуги и др.), методы микроскопического анализа (оптическая и электронная микроскопия), методы, основанные на газопроницаемости порошка, адсорбционные методы.

Материалы, содержащие частицы одного Материалы, содержащие частицы одного размера, называютсяразмера, называются монодисперсными.монодисперсными.

Материалы (большинство реальных Материалы (большинство реальных материалов), состоящие из частиц разных материалов), состоящие из частиц разных размеров, называются размеров, называются полидисперсными.полидисперсными.

Характеристику, выражающую зависимость Характеристику, выражающую зависимость количества частиц от их размер, называют количества частиц от их размер, называют гранулометрическимгранулометрическим илиили зерновым зерновым составом материала. составом материала.

1616

Седиментационный анализСедиментационный анализ

Седиментационный анализ позволяет определить Седиментационный анализ позволяет определить размер частиц и их количественное содержание. размер частиц и их количественное содержание. Размер частиц определяют расчетным путем на Размер частиц определяют расчетным путем на основе закона Стокса.основе закона Стокса.

Согласно Стоксу частицы, оседающие в вязкой Согласно Стоксу частицы, оседающие в вязкой среде, спустя короткое время после начала среде, спустя короткое время после начала оседания, приобретают постоянную скорость, что оседания, приобретают постоянную скорость, что свидетельствует об уравновешивании действующих свидетельствует об уравновешивании действующих на них силна них сил

1717

Точность определения по закону Стокса от Точность определения по закону Стокса от соблюдения ряда условий:соблюдения ряда условий:

быть достаточно велики по сравнению с быть достаточно велики по сравнению с молекулами среды;молекулами среды;

частицы должны иметь сферическую форму и частицы должны иметь сферическую форму и одинаковую плотность;одинаковую плотность;

скорость оседания должна быть постоянной;скорость оседания должна быть постоянной;

не должно быть скольжения между частицами и не должно быть скольжения между частицами и средой;средой;

система должна быть агрегативно устойчивой, система должна быть агрегативно устойчивой, т.е. не должны возникать конвекционные потоки, т.е. не должны возникать конвекционные потоки, присутствовать пузырьки воздуха или газов и тд.присутствовать пузырьки воздуха или газов и тд.

1818

МЕТОДЫ СЕДИМЕНТАЦИОННОГО АНАЛИЗАМЕТОДЫ СЕДИМЕНТАЦИОННОГО АНАЛИЗА

метод Вагнера, основанный на измерении метод Вагнера, основанный на измерении гидростатического давления столба суспензии с гидростатического давления столба суспензии с помощью сообщающихся сосудов;помощью сообщающихся сосудов;

метод Одена, основанный на измерении массы метод Одена, основанный на измерении массы осадка через определенное время в чашечке, осадка через определенное время в чашечке, опущенной в суспензию.;опущенной в суспензию.;

пипеточный метод, принцип которого состоит в пипеточный метод, принцип которого состоит в отборе с задаваемой глубины и после известной отборе с задаваемой глубины и после известной продолжительности оседания определенной продолжительности оседания определенной объемной доли суспензии, в которой первоначально объемной доли суспензии, в которой первоначально было равномерно распределено установленное было равномерно распределено установленное количество вещества. После этого находят количество вещества. После этого находят содержание твердой фазы в отобранной пробе.содержание твердой фазы в отобранной пробе.

1919

ДИФРАКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ДИФРАКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯИССЛЕДОВАНИЯ

Методы исследования структуры Методы исследования структуры вещества, основанные на дифракции вещества, основанные на дифракции рентгеновских лучей, электронов и рентгеновских лучей, электронов и нейтронов называют соответственно нейтронов называют соответственно рентгеноструктурным анализом, рентгеноструктурным анализом, электронографией электронографией ии нейтронографией.нейтронографией.

2020

Рентгеноструктурный и рентгенофазовый Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализанализ

Рентгеноструктурный анализ пригоден для Рентгеноструктурный анализ пригоден для изучения монокристаллов, а также веществ, не изучения монокристаллов, а также веществ, не обладающих строгой трехмерной обладающих строгой трехмерной периодичностью (полимеров, аморфных периодичностью (полимеров, аморфных веществ, жидкостей, газов).веществ, жидкостей, газов).

К рентгеновским лучам относят излучение, К рентгеновским лучам относят излучение, занимающее участок электромагнитного занимающее участок электромагнитного спектра примерно от нескольких сотен до спектра примерно от нескольких сотен до десятых долей ангстрема (10десятых долей ангстрема (10-10-10 м) или от м) или от нескольких десятков до сотых долей нанометра нескольких десятков до сотых долей нанометра (10(10-9-9 м). м).

2121

Принципиальная схема дифрактометра ДРОН 3Принципиальная схема дифрактометра ДРОН 3

1 -источник высокого напряжения; 2 - рентгеновская трубка; 3 и 31 -источник высокого напряжения; 2 - рентгеновская трубка; 3 и 311 – – диафрагма; 4 – образец; 5 - счетчик квантов; 6 - фотоэлектронный диафрагма; 4 – образец; 5 - счетчик квантов; 6 - фотоэлектронный умножитель; 7 – усилитель; 8 – дискриминатор; 9 - пересчетная схемаумножитель; 7 – усилитель; 8 – дискриминатор; 9 - пересчетная схема

10 - самопишущее устройство; 11 - интенсиметр10 - самопишущее устройство; 11 - интенсиметр

2222

Дифракционную картину при изучении Дифракционную картину при изучении структуры кристаллических веществ структуры кристаллических веществ

можно получить тремя методами:можно получить тремя методами:

вращающегося или качающегося вращающегося или качающегося кристалла;кристалла;

неподвижного кристалла;неподвижного кристалла;

порошковым методом.порошковым методом.

2323

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗААНАЛИЗА

Газовая хроматография Газовая хроматография - один из наиболее - один из наиболее перспективных физико-химических методов перспективных физико-химических методов исследования, бурно развивающийся в исследования, бурно развивающийся в настоящее время.настоящее время.

ХроматографическимХроматографическим следует называть следует называть процесс, основанный на перемещении процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы и сорбента в потоке подвижной фазы и связанный с многократным повторением связанный с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. сорбционных и десорбционных актов.

2424

Сорбция Сорбция - поглощение газов, паров или - поглощение газов, паров или растворенных веществ (сорбатов) твердыми растворенных веществ (сорбатов) твердыми или жидкими поглотителями (сорбентами). или жидкими поглотителями (сорбентами). Обратный процесс называют Обратный процесс называют десорбциейдесорбцией. В . В зависимости от природы сорбционных зависимости от природы сорбционных процессов их подразделяют на адсорбцию, процессов их подразделяют на адсорбцию, абсорбцию и хемосорбцию.абсорбцию и хемосорбцию.

АдсорбцияАдсорбция - - концентрирование вещества концентрирование вещества (адсорбата) на поверхности раздела фаз, (адсорбата) на поверхности раздела фаз, вызванное физико-химическим вызванное физико-химическим взаимодействием адсорбата и поверхности. взаимодействием адсорбата и поверхности. Адсорбирующее вещество называется Адсорбирующее вещество называется адсорбентом.адсорбентом.

2525

Если адсорбция сопровождается Если адсорбция сопровождается образованием на поверхности образованием на поверхности адсорбента химических соединений, то адсорбента химических соединений, то процесс называют процесс называют хемосорбциейхемосорбцией..

Абсорбция Абсорбция - избирательное - избирательное поглощение вещества (абсорбата) из поглощение вещества (абсорбата) из раствора или газовой смеси жидкостью раствора или газовой смеси жидкостью или твердым телом (абсорбентом) в или твердым телом (абсорбентом) в объеме.объеме.

2626

Принципиальная схема хроматографаПринципиальная схема хроматографа

1-баллон со сжатым газом-носителем; 2-редуктор; 3- вентиль тонкой 1-баллон со сжатым газом-носителем; 2-редуктор; 3- вентиль тонкой регулировки; 4- осушительная трубка; 5- манометр; 6-подогреватель;регулировки; 4- осушительная трубка; 5- манометр; 6-подогреватель;

7- самописец; 8- узел ввода пробы; 9 - катарометр; 10 - реометр;7- самописец; 8- узел ввода пробы; 9 - катарометр; 10 - реометр;

11 - хроматографическая колонка; 12 - термостат.11 - хроматографическая колонка; 12 - термостат.

2727

Задачей количественного Задачей количественного газохроматографического анализа газохроматографического анализа

может быть:может быть:

определение одного компонента или определение одного компонента или небольшого числа компонентов смеси;небольшого числа компонентов смеси;

определение индивидуального состава определение индивидуального состава многокомпонентной смеси;многокомпонентной смеси;

определение одного или нескольких определение одного или нескольких компонентов и общего содержания компонентов и общего содержания остальных веществ (в частности остальных веществ (в частности определение суммы «тяжелых»).определение суммы «тяжелых»).

2828

МЕТОДЫ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗАМЕТОДЫ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Метод термического анализа основывается Метод термического анализа основывается на следующих основных определениях:на следующих основных определениях:

изменение энергии - ДТА;изменение энергии - ДТА;

изменение веса;изменение веса;

изменение размеров образца - изменение размеров образца - дилатометрия;дилатометрия;

изменение электропроводности.изменение электропроводности.

Термический анализ Термический анализ основан на регистрации основан на регистрации процессов, протекающих в материалах при их процессов, протекающих в материалах при их нагревании с выделением и поглощением нагревании с выделением и поглощением теплатепла

2929

Дифференциально-термический Дифференциально-термический анализанализ

Измерительная часть приборов для Измерительная часть приборов для термического анализа по методу ДТА термического анализа по методу ДТА состоит обычно из трех термопар. состоит обычно из трех термопар. Одной из них (термопара №3) Одной из них (термопара №3) измеряется температура печи, а измеряется температура печи, а остальными двумя включенными остальными двумя включенными навстречу друг другу термопарами навстречу друг другу термопарами при помощи высокочувствительного при помощи высокочувствительного гальванометра измеряется разность гальванометра измеряется разность температур между печью и пробой. температур между печью и пробой. Последняя помещается в одно из трех Последняя помещается в одно из трех отверстий блока держателя пробы и в отверстий блока держателя пробы и в нее укладывается спай первой нее укладывается спай первой термопары. Спаи второй и третьей термопары. Спаи второй и третьей термопар, измеряющих температуру термопар, измеряющих температуру печи, окружают инертным веществом, печи, окружают инертным веществом, не претерпевающим никаких изменений не претерпевающим никаких изменений под влиянием тепла, но создающим под влиянием тепла, но создающим условия теплопередачи, почти условия теплопередачи, почти тождественные условиям, в которых тождественные условиям, в которых находится исследуемое вещество.находится исследуемое вещество.

3030

Дифференциальная схема термического анализа

Дифференциально-термический анализ Дифференциально-термический анализ позволяет установить:позволяет установить:

наличие или отсутствие фазовых наличие или отсутствие фазовых превращений;превращений;

температуру начала и конца любого температуру начала и конца любого процесса, сопровождающегося изменением процесса, сопровождающегося изменением баланса энергии в системе;баланса энергии в системе;

характер течения процесса во времени;характер течения процесса во времени;

смещение того или иного эффекта под смещение того или иного эффекта под действием внешних причин (давление, действием внешних причин (давление, изменение состава окружающей среды)изменение состава окружающей среды)

3131

Принцип работы и устройство Принцип работы и устройство дериватогрофадериватогрофа

3232

СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗАСПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Спектральный анализСпектральный анализ - физический метод - физический метод определения химического состава вещества определения химического состава вещества путем изучения спектра свечения путем изучения спектра свечения анализируемого вещества. В зависимости от анализируемого вещества. В зависимости от того, какой оптический центр данного того, какой оптический центр данного вещества использован - спектр излучения, вещества использован - спектр излучения, поглощения или рассеяния света - различают поглощения или рассеяния света - различают и соответствующие виды спектрального и соответствующие виды спектрального анализа, которые классифицируют по анализа, которые классифицируют по области применения и по аппаратурному их области применения и по аппаратурному их оформлению.оформлению.

3333

Эмиссионный спектральный анализ Эмиссионный спектральный анализ основан на изучении спектров основан на изучении спектров излучения, испускаемых светящимися излучения, испускаемых светящимися парами веществ. Спектр излучения парами веществ. Спектр излучения принадлежит атомам вещества, принадлежит атомам вещества, вследствие чего эмиссионный вследствие чего эмиссионный спектральный анализ используется для спектральный анализ используется для изучения элементарного состава изучения элементарного состава веществ.веществ.

3434

Абсорбционный спектральный анализАбсорбционный спектральный анализ основан на изучении спектров поглощения. основан на изучении спектров поглощения. Спектры поглощения возникают при Спектры поглощения возникают при прохождении света (разложенного в спектр) прохождении света (разложенного в спектр) через исследуемое вещество. Характер через исследуемое вещество. Характер поглощения света веществом зависит от поглощения света веществом зависит от молекулярного и атомного его состава, а молекулярного и атомного его состава, а степень поглощения - от количества степень поглощения - от количества поглощающих атомов и молекул. поглощающих атомов и молекул. Следовательно, пользуясь этим методом Следовательно, пользуясь этим методом можно производить как качественное, так и можно производить как качественное, так и количественное определение атомного и количественное определение атомного и молекулярного состава вещества.молекулярного состава вещества.

3535

Для проведения спектрального Для проведения спектрального анализа необходимо:анализа необходимо:

превратить анализируемое вещество превратить анализируемое вещество в парообразное (газообразное) в парообразное (газообразное) состояние и возбудить свечение газа;состояние и возбудить свечение газа;

разложить свечение в спектр;разложить свечение в спектр;

осуществить регистрацию спектра;осуществить регистрацию спектра;

произвести качественный или произвести качественный или количественный анализ.количественный анализ.

3636