Подготовка проб к анализу

 

Для проведения анализа тем или иным методом производится вскрытие пробы. При вскрытии пробы определяемые компоненты тем или инымспособом стремятся перевести в раствор. Выбор метода и реагента определяется, прежде всего, составом и свойствами анализируемого объекта.

Разложение проб можно проводить разными способами.

Разложение «мокрым» способом выполняется растворами минеральных или органических кислот или их смесями. Реже в качестве реагентов используют растворы солей и оснований «щелочей». Скорость растворения увеличивается с повышением температуры.

Соляная (хлороводородная) кислота обладает высокой летучестью и большинство ее солей растворимы в воде, поэтому она применяется для разложения руд и минералов. В ряде случаев обработку соляной кислотой проводят в присутствии восстановителей (SnCl2, Al, H2O2 и др.) или окислителей (KClO3, NaClO2). Большинство силикатов в соляной кислоте не разлагаются.

Плавиковая (фтороводородная) кислота в отличие от других кислот реагирует с кремнием, кремнеземом и силикатами с образованием неустойчивого и летучего фторидa кремния SiF4. Разложение анализируемых образцов пла-виковой кислотой проводят в платиновой, стеклоуглеродистой или тефлоновой посуде.

Азотная кислота, будучи сильным окислителем, энергично растворяет ряд минералов, главным образом группы сульфидов. Обычно ее применяют в смеси с другими кислотами. Смесь соляной и азотной кислоты в соотношении 3:1 называется царской водкой. Царская водка энергично разлагает практически все, полиметаллические руды, природные фосфаты и силикаты. Иногда окислительную способность азотной кислоты усиливают концентрированной серной кислотой.

Фосфорная кислота используется лишь в некоторых специальных слу-чаях. Благодаря присущим этой кислоте комплексообразующим свойствам ею можно разлагать такие устойчивые минералы, как хромиты, природные фосфаты и сложные минералы титана, ниобия, тантала.

Органические кислоты применяют при разложении минерального сырья лишь в единичных случаях, главным образом при фазовом анализе.

Растворы щелочей в кипящем виде переводят в раствор амфотерные металлы (алюминий) и большинство неметаллических элементов.

 

Разложение «сухим» способом» заключается в сплавлении анализируемого материала с соответствующими плавнями при высокой температуре. В результате сплавления образуются соединения, растворимые либо в воде, либо в кислотах. При выборе плавня можно руководствоваться правилом, что вещества, имеющие кислотные свойства сплавляют с основными (щелочными) плавнями, а имеющие основные свойства- с кислотными плавнями. Для разложения веществ, являющихся окислителями, обработку ведут в восстановительных, а для веществ, являющихся восстановителями,- в окислительных условиях.

 

К кислотным плавням относятся бисульфаты натрия NaHSO4, калия KHSO4, пиросульфаты натрия Na2S2O7 и калия K2S2O7, борный ангидрид B2O3.

 

Разложение спеканием проводят в тех случаях, когда нужно разложить большую навеску, что трудно выполнимо сплавлением, или во избежание коррозии применяемых тиглей. Образующийся спек обычно легко растворим в разбавленных минеральных кислотах. Спекание проводят с содой, бурой, пероксидами. Разложение сульфидов, оксидов и силикатов проводят спекани-ем со смесью щелочных карбонатов и оксидов двухвалентных металлов, глав-ным образом магния, кальция и цинка. Для вскрытия трудноразлагаемых ми-нералов применяют пероксид натрия Nа2O2

Спекание проводят в муфельных печах при высокой температуре. Полученный спек, выщелачивают в воде или слабом растворе кислоты.

 

Автоклавное вскрытие применяют для трудно растворимых проб нагреванием под давлением в герметичных автоклавных ячейках, изготовленных из стали. Использование автоклава обеспечивает экономию реактивов и времени, исключает потерю легколетучих компонентов пробы

Растворение металлов и сплавов требует их окисления и перевода в состояние растворимых солей, гидроксидов или комплексных соединений. Для этой цели используют главным образом кислоты.

Составной частью подготовки пробы к анализу является разделение и концентрирование ее компонентов. При анализе сложных веществ определение того или иного элемента становится возможным только после отделения сопутствующих элементов. Методы разделения лежат и в основе концентрирования примесей (следов) элементов при анализе веществ высокой чистоты.

 

Во всех случаях, когда чувствительность методов определения (минимальная концентрация) ниже концентрации определяемых элементов, - необходимо концентрирование, т.е. отделение подходящим способом массы ма-крокомпонентов либо элементов-примесей с последующим анализом полу-ченного концентрата различными методами.

 

Различают два варианта концентрирования: абсолютное и относитель-ное. Абсолютное концентрирование связано с переводом вещества из большого объема в малый; относительное концентрирование- это результат обогащения, т.е. уменьшения соотношения между количествами макро- и ми-крокомпонента в результате отделения макрокомпонента. В некоторых случа-ях относительное концентрирование сочетают с абсолютным.

 

Общим принципом всех методов разделения и концентрирования яв-ляется использование процессов распределения вещества между двумя фаза-ми.

 

Различают три группы методов выделения одного или нескольких компонентов в твердую, жидкую или газообразную фазу:

 

-разделения, основанные на равновесии между твердой и жидкой фаза-ми (группы относятся осаждение и соосаждение, адсорбционная и ионооб-менная хроматография, электролиз на твердых электродах, метод зонной плавки).

 

-разделения, основанные на равновесии между двумя жидкими фазами (экстракция органическими растворителями, распределительная хромато-графия, электролиз на ртутном катоде).

 

-разделения, основанные на удалении одного из компонентов в виде газа (определения влаги в различных материалах, карбонатов отгонкой СО2, определение кремния в виде фторида и другие)

 

В настоящее время наиболее широко распространены химические мето-ды разделения и концентрирования (экстракция органическими растворителя-ми, соосаждение с неорганическими и органическими коллекторами, ионный обмен, дистилляция летучих соединений из растворов, электролиз на ртутном и твердых катодах, электродиализ).

К физическим методам относятся испарение и сублимация в вакууме, зонная плавка, магнитная сепарация ионов и другие.

Для концентрирования используют выделение, как основы, так и при-месей; последнее применяют чаще, так как выделение малых количеств ве-ществ более целесообразно и эффективно.

 

Выбор метода анализа

 

Метод анализа -это краткое определение принципов, положенных воснову анализа вещества.

Выбор метода при аналитическом контроле определяется конкретнойаналитической задачей.

Постановка задачи состоит из характеристики объекта анализа, вклю-чающей его агрегатное состояние, перечисления компонентов, подлежащих определению, ожидаемого уровня их содержания, других компонентов, со-держание которых возможно в материале, прочие особенности материала. Кроме того, постановка задачи включает в себя метрологические требования к результату измерения, требования к производительности и т. д.

На базе этой информации выбирают метод и конкретную методику из-мерения состава. Кроме указанных, принимают во внимание и другие факто-ры, определяющие возможность использования метода: универсальность ме-тодики, селективность; возможность определения всех или большинства ана-лизируемых элементов одним методом;, возможность его автоматизации и использования выходного аналитического сигнала в качестве входного для управляющих ЭВМ, требуемую квалификацию для осуществления методик; штат персонала

 

Немаловажную роль при выборе методики играет оценка ее технологи-ческой и метрологической надежности, уровня стандартизации, техники без-опасности при ее осуществлении и экономической эффективности.

В условиях конкретной лаборатории выбор метода осуществляют исхо-дя из реальных условий с учетом имеющегося оборудования, помещений, ре-активов и т.д. Выбор метода зависит также от того, какое количество проб необходимо проанализировать. Если анализируют единичную пробу или не-большое число проб, нет смысла применять физические методы, лучше воспользоваться, например, гравиметрическим или спектрофотометрическим.

В физических методах много времени занимает предварительная калибровка аппаратуры, построение градуировочных графиков, необходимо также иметь стандартные образцы для сравнения и т.д. Поэтому применение этих методов оправдано, если необходимо анализировать большую серию проб приблизи-тельно одинакового состава. Единичные анализы рациональнее выполнять химическими методами.

В последние годы произошли коренные изменения в структуре методов, используемых химико-аналитическими службами металлургических заводов для контроля металлопродукции. Принципиально изменилась роль классиче-ских химических методов анализа, они уступают место физико-химическим и

физическим методам, базирующимся на использовании новейшей электрон-ной аппаратуры. Ежегодное выполнение сотен миллионов элементоопределе-ний стало возможным в результате использования автоматизированных ана-литических комплексов.

При массовом определении одних и тех же элементов вы однотипных пробах целесообразно применять экспрессные физические методы, что позво-ляет достичь большой экономии времени. Достигнутая в настоящее время средняя скорость анализа, составляющая 5-10 минут от отбора пробы до вы-дачи данных о составе, уже не всегда удовлетворяет технологов. Наиболее со-вершенной формой анализа химического состава в ходе технологических про-цессов автоматизированные системы аналитического контроля (АСАК). В ка-честве аналитических датчиков в этих системах используются оптические и рентгеновские квантометры, автоматические хроматографы, масс-спектро-метры и др