Определение массовой доли железа в солях. Вычисление массовой доли хлорида железа III в тестовых задачах по химии

ГОСТ 26318.3-84

Группа A59

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

МАТЕРИАЛЫ НЕМЕТАЛЛОРУДНЫЕ

Методы определения массовой доли оксида железа (III)

Non-metallic ore materials.
Methods for determination of iron oxide mass fraction

ОКСТУ 5709

Срок действия с 01.01.86
до 01.01.96*
______________________________
* Ограничение срока действия снято
по протоколу N 5-94 Межгосударственного Совета
по стандартизации, метрологии и сертификации.
(ИУС N 11-12, 1994 год). - Примечание.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством промышленности строительных материалов СССР

РАЗРАБОТЧИКИ

Н.М.Золотухина, В.М.Горохова, Е.А.Пыркин, О.Н.Феодосьева, Э.И.Лопатина

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 31.10.84 N 3810

3. ВЗАМЕН ГОСТ 20543.3-75 и ГОСТ 14328.2-77

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

5. Срок действия продлен до 01.01.96 Постановлением Госстандарта СССР от 24.12.90 N 3242

8*. ПЕРЕИЗДАНИЕ (май 1991 года) с Изменениями N 1, 2, утвержденными в октябре 1986 года, октябре 1990 года (ИУС 1-87, 4-91)
________________
* Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание.

Настоящий стандарт распространяется на полевошпатовые и кварцполевошпатовые материалы, слюду, диопсид и устанавливает фотометрический и комплексонометрический методы определения массовой доли общего железа в пересчете на оксид железа (III).

При возникновении разногласий в оценке качества по величине массовой доли оксида железа (III), определение проводят фотометрическим методом.

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.1. Общие требования к методам определения массовой доли оксида железа (III) - по ГОСТ 26318.0-84.

2. ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Метод основан на образовании устойчивого в течение нескольких часов оранжево-красного комплексного соединения двухвалентного железа с ортофенантролином или его аналогами (дипиридилом или ортофенантролином солянокислым).

2.1. Аппаратура, реактивы, растворы

2.1.1. Для проведения анализа применяют:

Фотоэлектроколориметр или атомно-абсорбционный спектрофотометр;

Кислоту соляную по ГОСТ 3118-77, разбавленную 1:1 и 1:3;

Кислоту уксусную по ГОСТ 61-75;

Кислоту винную по ГОСТ 5817-77;

Кислоту аскорбиновую;

Гидроксиламин солянокислый по ГОСТ 5456-79;

Железа (III) оксид, высушенный при температуре 105-110 °С до постоянной массы;

Натрий уксуснокислый по ГОСТ 199-78, раствор концентрации 70-100 г/дм;

Ортофенантролин (или дипиридил или ортофенантролин солянокислый);

Буферный раствор pH 3,6 (33 г уксуснокислого натрия растворяют в воде, приливают 58 см ледяной уксусной кислоты и доводят водой до 1 дм).

2.2. Подготовка к анализу

2.2.1. Приготовление составного реагента

В мерный стакан вместимостью 1000 см помещают 400 см буферного раствора, 20 г гидроксиламина солянокислого (или 5 г аскорбиновой кислоты), 30 г винной кислоты и 1 г ортофенантролина (или дипиридила, или ортофенантролина солянокислого), доливают до метки водой и перемешивают. Раствор фильтруют в склянку с притертой пробкой.

(Измененная редакция, Изм. N 1, 2).

2.2.2. Приготовление стандартного раствора окиси железа

0,1 г оксида железа (III) помещают в стакан вместимостью 150 см, приливают 50 см соляной кислоты, разбавленной 1:1, накрывают часовым стеклом и выдерживают на кипящей водяной бане до полного растворения. Раствор охлаждают, переносят количественно в мерную колбу вместимостью 1000 см, доливают до метки водой и перемешивают.

В 1 см полученного раствора содержится 0,1 мг оксида железа (III).

2.2.3. Построение градуировочного графика

В мерные колбы вместимостью 50 см отбирают: 0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и 3,0 см стандартного раствора оксида железа (III), что соответствует 0; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20; 0,25 и 0,30 мг оксида железа (III).

В колбы приливают по 20 см раствора холостого опыта 1 или 2 по ГОСТ 26318.1-84, по 5 см составного реагента, доводят до метки раствором уксуснокислого натрия и перемешивают. Через 10 мин растворы фотометрируют, применяя кюветы с толщиной слоя 10 мм и синий светофильтр (400-500 нм) при использовании ортофенантролина или ортофенантролина солянокислого и зеленый светофильтр (500-520 нм) при использовании дипиридила. Раствором сравнения служит раствор, не содержащий оксида железа (III).

По данным оптических плотностей растворов и соответствующим им концентрациям оксида железа (III) строят градуировочный график.

2.3. Проведение анализа

2.3.1. От анализируемого раствора 1 или 2 по ГОСТ 26318.1-84 в мерную колбу вместимостью 50 см отбирают аликвотную часть в зависимости от ожидаемого содержания оксида железа (III) в соответствии с табл.1.

Таблица 1

В другую мерную колбу вместимостью 50 см отбирают такую же аликвотную часть раствора холостого опыта 1 или 2.

Затем в колбы вводят все реактивы, как при построении градуировочного графика, доводят до метки раствором уксуснокислого натрия и тщательно перемешивают. Оптическую плотность полученного анализируемого раствора измеряют относительно раствора холостого опыта.

По измеренной оптической плотности по градуировочному графику находят содержание оксида железа (III), мг.

2.4. Обработка результатов

2.4.1. Массовую долю оксида железа (III) () в процентах вычисляют по формуле

,

где - масса оксида железа (III), найденная по градуировочному графику, мг;

Общий объем раствора, см;

Объем аликвотной части раствора, взятый для проведения анализа, см;

Масса навески, г.

2.4.2. Допускаемое расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать величины, приведенной в табл. 2.

Таблица 2

3. КОМПЛЕКСОНОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Метод основан на образовании комплексного соединения трехвалентного железа с сульфосалициловой кислотой и разрушении его трилоном Б. Метод применяют при массовой доле оксида железа (III) не менее 1,5%.

3.1. Реактивы и растворы

3.1.1. Для проведения анализа применяют:

Кислоту соляную по ГОСТ 3118-77, 1 М раствор (80 см соляной кислоты в 1 дм водного раствора);

Кислоту сульфосалициловую по ГОСТ 4478-78, раствор концентрации 100 г/дм;

Аммиак водный по ГОСТ 3760-79, разбавленный 1:1;

Трилон Б по ГОСТ 10652-73, 0,025 м раствор, приготовленный из стандарт-титра, содержащего 0,1 г/экв (0,1 моль) вещества, который растворяют в колбе вместимостью 2 дм, доливают до метки водой и перемешивают.

(Измененная редакция, Изм. N 2).

3.2. Проведение анализа

3.2.1. От основного раствора 2 отбирают аликвотную часть 50 см в коническую колбу вместимостью 300 см. Приливают 0,3-0,5 см раствора сульфосалициловой кислоты и по каплям разбавленный аммиак до начала изменения окраски раствора из фиолетовой в оранжевую и сразу же 5 см 1 М раствора соляной кислоты.

Раствор нагревают до 60-70 °С и титруют раствором трилона Б до исчезновения фиолетового окрашивания.

3.3. Обработка результатов

3.3.1. Массовую долю оксида железа (III) () в процентах вычисляют по формуле

,

где - объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, см;

Общий объем раствора анализируемой пробы, см;

0,001996 - титр 0,025 М раствора трилона Б по оксиду железа (III), г/см;

Объем аликвотной части раствора, взятый для анализа, см;

Масса навески,

3.3.2. Допускаемое расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать значения, приведенного в табл.2.

(Измененная редакция, Изм. N 2).

Определение основано на осаждении Fe 3+ в виде труднорастворимого аморфного осадка Fe(OH) 3 (осаждаемая форма) с последующим прокаливанием до Fe 2 O 3 (гравиметрическая форма) :

2Fe 3+ ® 2Fe(OH) 3 ® Fe 2 O 3 + 3H 2 O

В качестве осадителя используют раствор аммиака, избыток которого легко разлагается при прокаливании. Так как в солях железа одновременно могут присутствовать ионы Fe 3+ и Fe 2+ , последние необходимо предварительно окислить (азотной кислотой, пероксидом водорода и др.), чтобы понизить растворимость осадка. Прибавление азотной кислоты предпочтительнее, так как при нагревании соли железа склонны подвергаться гидролизу, для подавления которого раствор подкисляют азотной кислотой. В противном случае основные соли железа, образовавшиеся в результате гидролиза, образуют осадок, прилипающий к стенкам стакана и плохо фильтрующийся.

Осаждаемая форма Fe(OH) 3 представляет собой аморфный осадок красно-бурого цвета, склонный к образованию коллоидных растворов. Поэтому при осаждении необходимо строго соблюдать условия, предупреждающие образование коллоидных растворов и приводящие к получению плотного, хорошо фильтруемого осадка. С этой целью осаждение ведут из горячего концентрируемого раствора в присутствии электролита-коагулятора, быстро прибавляя концентрированный раствор аммиака. Для фильтрования используют наиболее пористый беззольный фильтр («красная лента» / «белая лента»), промывают осадок разбавленным раствором коагулятора. В качестве электролита-коагулятора при осаждении и промывании осадка используют соли аммония, преимущественно нитрат аммония, так как часть осадка при прокаливании под воздействием, например, хлорида аммония превращается в летучий хлорид железа:

Fe(OH) 3 + 3NH 4 Cl ® FeCl 3 ­ + 3H 2 O

Длительное прокаливание осадка необходимо избегать, это может привести к частичному восстановлению оксида железа:

6Fe 2 O 3 ® 4Fe 3 O 4 + O 2

Осадок прокаливают при температуре 1000–1100 0 С до получения постоянной массы тигля с осадком.

Х о д а н а л и з а

Расчет навески. При анализе железоаммонийных квасцов расчет ведется по схеме:

2NH 4 Fe(SO 4) 12H 2 O ® 2Fe(OH) 3 ® Fe 2 O 3 .

Оптимальная масса Fe 2 O 3 не должна превышать 0,1 г.

Расчет объема осадителя. Рассчитывается масса безводного аммиака, необходимая для осаждения рассчитанной навески квасцов, согласно уравнению осаждения.

Необходимый объем раствора аммиака вычисляют по формуле:

где w – массовая доля NH 3 в растворе, %

r – плотность раствора аммиака.

Поскольку раствор аммиака – осадитель летучий, для практически полного осаждения берут двукратный избыток раствора.

Взятие и растворение навески. Рассчитанную навеску (операцию взятия навески см. в задаче 2) количественно переносят в химический стакан, в котором будет проводиться осаждение, и растворяют в минимальном объеме воды, прибавив 1–2 мл концентрированного раствора HNO 3 . Операцию окисления проводят при анализе солей железа (II). Если же анализируются соли железа (III), в которых отсутствуют ионы железа (II), вместо концентрированного раствора HNO 3 прибавляют 1–2 мл 2 М HNO 3 . Осторожно нагревают до 80–90 0 С на водяной бане, закрыв стакан часовым стеклом.

Осаждение. К горячему раствору под тягой прибавляют по каплям 25%-ный раствор аммиака при перемешивании до появления неисчезающей мути красно-бурого цвета, что служит признаком установления в растворе кислотности, при которой начинается осаждение Fe(OH) 3 . После этого быстро вводят рассчитанный объем раствора аммиака и ставят стакан с осадком на водяную баню (раствор должен пахнуть аммиаком). В результате нейтрализации кислоты раствором аммиака в растворе образуется соль аммония, играющая роль коагулятора. При нагревании осадок должен уплотниться и осесть на дно стакана. Если раствор продолжает оставаться мутным и осадок слишком рыхлый, необходимо ввести в раствор немного сухого нитрата аммония, перемешать и снова нагреть раствор. К хорошо скоагулированному осадку при перемешивании прибавить 50–100 мл горячей воды, дать отстояться 5–10 мин и сразу приступить к фильтрованию.

Фильтрование и промывание осадка. Вначале, как обычно, декантируют жидкость с осадка на фильтр («красная лента»/ «белая лента»). Затем промывают осадок горячей промывной жидкостью (2%-ный раствор NH 4 NO 3 + несколько капель 25%-го раствора NH 3) вначале в стакане, а затем на фильтре до отрицательной реакции на SO 4 2- ион (проба с хлоридом бария) или Cl - ион, если анализируется хлорид железа (проба с нитратом серебра). Заканчивают промывание осадка на фильтре горячей дистиллированной водой.

Высушивание и прокаливание осадка проводят обычным способом, вначале озолив фильтр, а затем прокалив тигель с осадком в муфельной печи до постоянной массы.

Расчет результатов анализа. Подсчитав массу полученного осадка Fe 2 O 3 по разности масс тигля с осадком и пустого тигля, рассчитывают массу (г) или массовую долю (%) железа в соли.

В некоторых задачах предполагается несколько химических реакций. Причем часто приходится определять избыток и недостаток в каждом из них.

Задача 3.3.
Хлор, выделившийся в результате взаимодействия 8,7 г оксида марганца (IV) с 120 мл 30% соляной кислоты (р = = 1,16 г/мл), вступил в реакцию с железом массой 2,8 г. Образовавшуюся соль растворили в 100 г воды. Определите массовую долю соли в полученном растворе.
Дано:
масса оксида марганца (IV): m(МпО 2) = 8,7 г;
объем соляной кислоты: V р-ра (НС1) = 120 мл;
массовая доля НС1 в соляной кислоте: (НС1) = 30%
плотность соляной кислоты: р р-ра (НС1) = 1,16 г/мл;
масса железа: m(Fе) = 2,8 г;
масса воды: m(Н 2 О) = 100 г.
Найти: массовую долю соли в конечном растворе.
Решение:
В условии задачи описано несколько последовательных химических реакций.
1. Окисление хлора из НС1 оксидом марганца (IV):

МnO 2 + 4НС1 = МпС1 2 + С1 2 ^ + 2Н 2 О

2. Образовавшийся в первой реакции газообразный хлор выводится из исходного раствора и направляется в другую реакционную емкость для взаимодействия с металлическим железом. При этом следует учитывать, что оно окисляется до степени окисления (+3).

ЗС1 2 + 2Fe = 2FeС1 3

Хлорид железа (III), полученный во второй реакции, растворяют в воде. В результате получается новый раствор, в котором необходимо определить массовую долю растворенной соли.

В данной задаче определение избытка-недостатка нам придется проводить дважды: для первого и для второго уравнений. Алгоритм решения можно представить следующей схемой:

1. Находим массу соляной кислоты и массу НС1 в ней:

2. Находим количество вещества НС1 и МпО 2 , принявших участие в первой реакции:

3. Определяем, какое вещество находится в недостатке в первой реакции.

Выберем за основу оксид марганца (IV) и определим по уравнению реакции количество НС1, которое необходимо для расходования 0,1моль MnO 2 .

n = 0,1 моль n = х молъ
МnО 2 + 4НС1 = МnС1 2 + С1 2 ^ + 2Н 2 О
n = 1 моль n = 4 моль

Составляем пропорцию:
на 0,1 моль МnО 2 должно расходоваться х моль НС1 (по условию)
на 1 моль МnО 2 полностью расходуется 4 моль НС1 (по уравнению)
НС1 необходимо для полного расходования всего МnО 2 .

НС1 находится в избытке и расходуется не весь в процессе реакции. Поэтому дальнейшие расчеты по уравнению реакции будем проводить по МnО 2 , так как он в недостатке и расходуется весь.

4. По количеству МnО 2 рассчитываем количество вещества С12, выделившегося в 1 реакции:

n = 0,1 моль n = х молъ
МnО 2 + 4НС1 = МnС12 + С1 2 ^ + 2Н 2 О
n = 1 моль n = 4 моль

Составляем пропорцию:
0,1 моль МnО 2 дает х моль С1 2 (по условию)
1 моль МnО 2 дает 1 моль С1 2 (по уравнению)
х =0,1 . 1/0,1 = 0,1 моль = n(С1 2)

5. По условию весь хлор, выделившийся в 1 реакции, вступил во взаимодействие с железом. Находим количество вещества железа, данное по условию:

6. Определяем, какое вещество находится в недостатке во второй реакции.

Выберем за основу хлор и определим по уравнению реакции количество Fе, которое необходимо для расходования 0,1 моль С1 2 .

n = 0,1 моль п - х моль
3С1 2 + 2Fе = 2FеС1 3
п = 3 моль n = 2 моль

Составляем пропорцию:
на 0,1 моль С1 2 должно расходоваться х моль Fe (по усл.)
на 3 моль С12 полностью расходуется 2 моль Fe (по уравн.)
х = 0,1 . 0,2/ 3 = 0,667 моль Fе необходимо для полного расходования всего С1 2 .

Железо находится в недостатке и расходуется полностью в процессе реакции. Поэтому дальнейшие расчеты по уравнению реакции будем проводить по нему.

7. По количеству вещества железа, определяем массу образовавшейся во второй реакции соли:
n = 0,05 моль m = х г
3С1 2 + 2Fе = 2FeС1 3
n = 2 моль n = 2 моль
М= 162,5 г/моль
m = 325 г

Составляем пропорцию:
0,05 моль Fе дают x г FеС1 3 (по условию)
2 моль Fе дают 325 г FеС1 3 (по уравнению)

8. Определяем массовую долю FeCl 3 , после растворения его в 100 г воды:

Ответ: (FeCl 3) = 7,5%.