Методы определения общего содержания углерода

1. Газообъемный метод

Сущность метода. Метод основан на сжигании навески образца в струе кислорода при температуре 1200-1350°С. При этом углерод, окисляясь, выделяется в виде СО₂. Углекислоту в смеси с избытком кислорода переводят в газоизмерительную бюретку и измеряют объем газов. Затем смесь газов пропускают через концентрированный раствор едкого кали и снова измеряют объем. Разность между результатами первого и второго измерений соответствует количеству углекислого газа, а следовательно, и количеству углерода в испытуемом образце.

Реактивы. 1. Метиловый оранжевый, раствор (1 г/л).

2. Плавни: свинец, медь электролитная, железо малоуглеродистое, окись меди и др.

Приборы. 1. Электрическая горизонтальная трубчатая печь с силитовыми нагревателями, включаемая в сеть переменного тока через трансформатор с терморегулятором.

2. Газометр для кислорода.

3. Сосуды для очистки и сушки кислорода.

4. Фарфоровые трубки диаметром от 18 до 26 мм, длиной 600 мм.

5. Фарфоровые лодочки длиной 70-80 мм, предварительно прокаленные (желательно в токе кислорода).

6. Крючок из жароупорной стальной проволоки для вынимания лодочек из лечи.

7. Аппарат для измерения объема газов.

8. Ртутный барометр для измерения атмосферного давления.

Схема установки для определения углерода газообъемным методом (рис. 11). Кислород, необходимый для анализа, из газометра 3 поступает в промывные сосуды: 4 - с раствором едкого кали (300 г/л) и 5 - с серной кислотой (плотность 1840 кг/м³).

Рис. 11. Схема установки для определения углерода газообъемным методом

Очищенный и осушенный кислород по резиновой трубке поступает в фарфоровую трубку для сжигания 7, находящуюся в электрической печи 1, включенной через трансформатор 2 с терморегулятором в сеть переменного тока.

Газообразные продукты сжигания вместе с избытком кислорода из трубки 7 через хлоркальциевую трубку 8 с томпоном из стеклянной ваты для задержания пылеобразных продуктов сгорания проходят, охлаждаясь, через змеевиковый холодильник 9 и поступают в газоизмерительную бюретку.

Газоизмерительная бюретка 11 служит для измерения объема газов и представляет собой узкий цилиндрический сосуд с расширением в верхнем конце. Общая емкость сосуда около 250 см³. Бюретка имеет двойные стенки, между которыми наливают воду для поддержания постоянной температуры, и снабжена термометром 16, помещенным в верхней расширенной цилиндрической части и служащим для измерения температуры газов.

Подвижная шкала 13 должна обязательно соответствовать бюретке, для которой она предназначена. Деления шкалы соответствуют .процентному содержанию углерода при навеске 1 г.

Газоизмерительные бюретки калибруют при температуре 20°С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст., поэтому для всех других условий вводят поправку на температуру и атмосферное давление по специальной таблице.

Уравнительная склянка 12 служит для перекачивания газовой смеси из бюретки в поглотительный сосуд при помощи находящегося в ней раствора хлористого натрия (300 г/л) с добавлением к нему нескольких капель серной кислоты и метилового оранжевого.

Поглотительный сосуд 10 наполнен раствором едкого кали (300 г/л). Он имеет три стеклянных поплавка-затвора, которые должны плотно входить в свои гнезда.

Все стеклянные части прибора необходимо соединять между собой плотно (в стык) при помощи надетых на них отрезков резиновой трубки.

К моменту сжигания навески аппарат должен быть приведен в рабочее состояние. Для этого, соединив трехходовым краном 14 измерительную бюретку с воздухом, заполняют ее путем поднятия уравнительной склянки 12, наполненной на ³/₄ объема раствором хлористого натрия, до полного поднятия поплавка. Затем разобщают бюретку с атмосферным воздухом и поворотом крана 15 соединяют ее с поглотительным аппаратом, в открытое колено которого предварительно наливают раствор едкого кали (300 г/л) больше, чем на ³/₄ объема. Опуская склянку 12, создают разрежение в измерительной бюретке и в правом поглотительном сосуде, и раствор щелочи заполняет сосуд до полного поднятия поплавков на свои места. После этого поворотом крана 15 закрывают поглотительный аппарат и трехходовым краном 14 соединяют измерительную бюретку с атмосферным воздухом и снова заполняют ее раствором хлористого натрия.

Выполнение определения. Собрав установку (рис. 11), разогревают печь до требуемой температуры и, соединив краном 14 систему с атмосферным воздухом, открывают кран 6 и пропускают кислород в течение 1-2 мин. Затем для проверки герметичности печи кранам 6 прекращают подачу кислорода и поворотом крана 14 соединяют печь с эвдиометром, ставят уравнительную склянку 12 на уровне ноля шкалы и если уровень жидкости в измерительной бюретке не будет понижаться в течение 2-3 мин, то герметичность системы можно считать приемлемой.

После этого устанавливают нулевое положение шкалы, для чего, повернув кран 15, соединяют эвдиометр с атмосферным воздухом и дают жидкости на бюретке 11 и уравнительной склянке 12, стоящей на подвижной полочке, установиться на одном уровне. Подвижную шкалу бюретки устанавливают так, чтобы мениски жидкостей в обоих сосудах приходились на нулевое деление шкалы. Нулевое положение проверяют перед каждым очередным замером газов.

Навеску 0,2-1 г в зависимости от содержания углерода помещают в предварительно прокаленную фарфоровую лодочку и прибавляют к ней тот или иной плавень (свинец, медь, электролитная, железо Армко и др.).

Открывают резиновую пробку печи со стороны поступления кислорода, берут пинцетом лодочку с навеской и при помощи металлического крючка помещают ее в самую горячую зону печи. Закрывают пробку, открывают кран 6 для подачи кислорода и соединяют печь с газоизмерительной бюреткой при помощи трехходового крана 14 при положении уравнительной склянки на уровне нуля шкалы. Пропускают кислород со скоростью 8-10 пузырьков в секунду.

Под давлением кислорода и образующегося при сгорании навески углекислого газа уровень жидкости в бюретке начинает быстро падать. Когда он опустится в расширенной части бюретки приблизительно на ¹/₅ часть объема, зажимают резиновую трубку 17, соединяющую газоизмерительную бюретку с уравнительной склянкой, и дают навеске сгореть в печи под давлением.

Когда сгорание навески закончится (через 3-6 мин), освобождают резиновую трубку и продолжают пропускать кислород до полного удаления из печи продуктов горения. Дают жидкости в эвдиометре опуститься, краном 6 отключают ток кислорода, быстро вынимают пробку из фарфоровой трубки со стороны входа кислорода в печь, вынимают металлическим крючком лодочку из печи и проверяют нулевое положение шкалы.

Краном 14 отключают систему от газоизмерительного аппарата. Поворотом крана 15 соединяют эвдиометр с поглотительным сосудом 10 и дважды перекачивают полученный объем газов из бюретки в поглотительный сосуд и обратно. После этого замеряют объем поглощенного углекислого газа. Одновременно записывают температуру газовой смеси по показанию термометра 16 и атмосферное давление. Температура может довольно быстро изменяться, поэтому показание термометра следует проверять при каждом определении.

Для вычисления содержания углерода вводят поправку, соответствующую найденным температуре и давлению, которую находят по специальной таблице.

Процентное содержание углерода вычисляют по формуле:

где М - показание шкалы эвдиометра;

n - поправка;

G - навеска образца, г.