OZNACZENIE ZAWARTOŚCI MANGANU W STALI

Zadanie

Sporządzenie krzywej kalibracyjnej i określenie zawartości manganu w próbkach stali konstrukcyjnej niskostopowej.

Wprowadzenie

Stal jest stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami.

Rodzaje stali klasyfikuje się ze względu na różne parametry:

• sposób otrzymywania (konwerter Bessemera, piec elektryczny do recyklingu złomu. piec Siemensa-Martina).
• skład:
  • Stal węglowa (głównym dodatkiem stopowym jest węgiel o zawartości poniżej 1% tego pierwiastka)
  • Stal stopowa, zawiera inne pierwiastki dodawane w celu osiągnięcia pożądanych właściwości. Rozróżnia się stal niskostopową (do 5% innych składników) i wysokostopową (powyżej 5%).
  • Stal nierdzewna, rodzaj stali wysokostopowej w której oprócz węgla i innych pierwiastków znajduje się co najmniej 11,5% chromu.
• przeznaczenie:

• Stal konstrukcyjna, zawiera najczęściej nie więcej niż 0,6% węgla, który jest głównym (poza żelazem) składnikiem stopu. Przeznaczona jest przede wszystkim do budowy konstrukcji stalowych.
• Szlachetna stal konstrukcyjna, oprócz węgla zawiera mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden, wanad. Jest wykorzystywana do budowy złożonych konstrukcji i części maszyn.
• Stal narzędziowa, zawiera więcej niż 0,6% węgla oraz chrom, wolfram, wanad, molibden, kobalt i inne. Wytwarza się z niej narzędzia.

Pierwiastków takich jak azot, tlen, fosfor czy siarkę nie uważa się za składniki stopowe lecz za zanieczyszczenia, przedostające się do stali podczas procesu produkcji, studzenia i przetwarzania.

Składnikami stali stopowych są mangan, molibden, krzem, glin, kobalt, wolfram, wanad, tytan, nikiel i wiele innych, które są dodawane aby zrekompensować niekorzystny wpływ zanieczyszczeń, np. chrom, mangan, wolfram, molibden i tytan reagując z węglem w stali tworzą węgliki.

Zasada oznaczenia

Rozpuść opiłki stali w mieszaninie kwasów: dodaj kwasu siarkowego(VI), azotowego(V) i fosforowego(V) i ogrzewaj mieszaninę. Zarówno żelazo jak i mangan reagują z kwasami wypierając wodór.

2 Fe(s) + 6H₃O⁺(aq) → 3H₂(g) + 2 Fe³⁺(aq) + 6 H₂O(l)

Mn(s) + 2 H₃O⁺(aq) → H₂(g) + Mn²⁺(aq) + 2 H₂O(l)

Kwas fosforowy(V) reaguje z żółtymi jonami żelaza(III) z utworzeniem bezbarwnego związku kompleksowego. Jony manganu(II) są utleniane do fioletowych jonów manganianowych przy pomocy jodanu(VII) potasu KIO₄(s).

2 Mn²⁺(aq) + 5 IO₄^–(aq) + 9 H₂O(l) → 2 MnO₄^–(aq) + 5 IO₃^–(aq) + 6 H₃O⁺(aq)

Zawartość mangany w próbce oznacza się spektrofotometrycznie.  

Sprzęt i odczynniki

Odczynniki:

• kwas siarkowy(VI), ψ(H₂SO₄/H₂O) = 1:3
• kwas fosforowy(V), stężony
• kwas azotowy(V), ψ(HNO₃/H₂O) = 1:1
• jodan(VII) potasu cz.d.a.
• azotan(III) sodu, w(NaNO₂) = 0,02
• manganian(VII) potasu cz.d.a.

Sprzęt laboratoryjny:

• zlewka 150 ml,
• szkiełko zegarkowe Ф80,
• cylinder miarowy 10 ml,
• pipeta miarowa 10 ml,
• pipeta miarowa 5 ml,
• cylinder miarowy 50 ml,
• kolba miarowa 50 ml,
• waga analityczna,
• waga laboratoryjna
• elektryczna płytka grzejna,
• wyciąg,
• spektrometr Spektra^TM z wyposażeniem,
• blistry,
• buteleczki plastikowe 10 ml z wkraplaczami.

ZAGROŻENIA

	kwas siarkowy(VI) R: 35, S: 26-30-45
	kwas azotowy(V) R: 8-35, S: 23-26-36-45
	kwas foforowy (V) R: 34 S (1/2)-26-45
	manganian(VII) potasu R: 22, 8, 50/53 S:  60, 61
	azotan(III) sodu R: 8-25 S: 44

Sposób postępowania

Przygotowanie roztworu bazowego:

Odważ 0,7191 g KMnO₄, rozpuść w przegotowanej i schłodzonej wodzie dejonizowanej i uzupełnij zawartość wodą do kreski miarowej w kolbie miarowej 250 ml. Przenieś 10 ml roztworu do kolby miarowej 500 ml i rozcieńcz zawartość do kreski miarowej. Zawartość manganu w tak otrzymanym roztworze wynosi 20 μg cm^-3. Zdekantuj świeżo przyrządzony roztwór do plastikowej buteleczki 10 ml wyposażonej we wkraplacz.

Przygotowanie odczynników:

• Kwas siarkowy(VI), ψ(H₂SO₄/H₂O)=1:3

Odmierz w cylindrze 30 ml wody destylowanej, przelej ją do zlewki 50 ml. Dodaj 10 ml stężonego kwasu siarkowego(VI), chłodząc zawartość zlewki.

• Kwas azotowy(V), ψ(HNO₃/H₂O)=1:1

Odmierz 10 ml wody do zlewki 50 ml i dodaj 10 ml kwasu azotowego(V).

• Azotan(III) sodu, w(NaNO₂)=0.02

Na wadze laboratoryjnej odważ 1,00 g azotanu(III) sodu w zlewce 100 ml, dodaj wody destylowanej do masy 50,00 g

Przygotowanie próbki:

Wszystkie pomiary należy przeprowadzić trzykrotnie.

Odważ na wadze analitycznej około 0,1 g opiłków stalowych w zlewce 150 ml (zapisz wyniki ważenia w tabeli), dodaj 10 ml roztworu kwasu siarkowego(VI) i kilka kamyczków wrzennych. Przykryj zlewkę szkiełkiem zegarkowym i ogrzewaj pod wyciągiem na płytce elektrycznej do rozpuszczenia opiłków.

Następnie zdejmij zlewkę z płytki grzejnej i dodaj 2 ml roztworu kwasu fosforowego(V).

Po ochłodzeniu roztworu dodaj 0,5 ml kwasu azotowego(V). Jeżeli w roztworze znajdują się cząstki grafitu, nie będą one przeszkadzać w analizie.

Ogrzej roztwór do pojawienia się białych dymów. Ochłodź roztwór, dodaj ok. 20 ml wody destylowanej i dwie łyżeczki laboratoryjne jodanu(VII) potasu.

Ogrzej roztwór ponownie na płytce grzejnej. Jeżeli stal zawierała mangan, roztwór zabarwia się na fioletowo.

Przenieś ilościowo zawartość zlewki do kolbki miarowej 50 ml i rozcieńcz do kreski miarowej.

Otrzymany roztwór nadaje się do analizy spektrometrycznej. Wlej roztwór do plastikowej buteleczki 10 ml z wkraplaczem.

W innej buteleczce umieść kilka mililitrów otrzymanego roztwór i dodaj 5 kropli roztworu azotanu(III) sodu. Odbarwiony w ten sposób roztwór użyj jako próbki odniesienia w pomiarach transmitancji.

Pomiary spektrometryczne:

• Przygotuj próbkę odniesienia i osiem roztworów kalibracyjnych zgodnie ze wskazówkami w Tabeli 1.

Tabela 1:

• Zmierz transmitancję używając diody emitującej zielone światło względem próbki odniesienia, dla której ustaw wartość transmitancji 100,0.
• Zapisz wyniki pomiarów w tabeli.
• Oblicz wartości absorbancji, zapisz je w tabeli.
• Zastosuj oprogramowanie Excel do wyznaczenia krzywej kalibracyjnej i wyprowadzenia równania otrzymanej prostej.

Przykład krzywej kalibracyjnej:

Odczytaj zawartość manganu z krzywej kalibracyjnej lub oblicz ją korzystając z równania prostej.

Tabela 2:

Obliczenia

Oblicz procentową zawartość manganu w stali (procent wagowy).

Wynik

Tabela 3:  

Opracowanie: Romana Mele, Helena Prevc, ŠC SSKŠ Ljubljana