化學(xué)分析法在工業(yè)中的應(yīng)用

張 亮

(廣州大學(xué)，廣東 廣州 510000)

引 言

化學(xué)分析法是分析化學(xué)的一個(gè)分支。根據(jù)分析方法分類，可以將分析化學(xué)分為化學(xué)分析法和儀器分析法，二者分別用于常量組分和微量組分的測(cè)量，都可用于了解物質(zhì)的化學(xué)組成、含量[1-2]。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來說，知道原料和產(chǎn)品的純度及成分是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。使用化學(xué)分析法進(jìn)行定量分析，能夠幫助人們了解到試樣中待測(cè)組分的含量，因此，化學(xué)分析法在工業(yè)中有著非常重要的應(yīng)用。其中，化學(xué)分析法又可以分為滴定分析法和重量分析法。

1 滴定分析法在工業(yè)上的應(yīng)用

滴定分析法是化學(xué)分析法中主要的定量分析方法，根據(jù)滴定反應(yīng)類型，可分為酸堿滴定法、絡(luò)合滴定法、氧化還原滴定法和沉淀滴定法四大類。滴定分析法即把標(biāo)準(zhǔn)溶液滴入待測(cè)溶液中，使其按照化學(xué)方程式反應(yīng)，最后按照反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系、標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度和體積，計(jì)算出被測(cè)組分的含量[3-4]。

1.1 酸堿滴定法——混合堿的含量分析

酸堿滴定法的反應(yīng)基礎(chǔ)為溶液中的酸堿反應(yīng)，在混合堿的含量分析中有著重要應(yīng)用。

工業(yè)制造的燒堿(氫氧化鈉)，在放置和儲(chǔ)存的過程中會(huì)因?yàn)槲斩趸级煊刑妓徕c。在使用時(shí)，為了使燒堿更好地發(fā)揮作用，提高工業(yè)效率，通常需要測(cè)定氫氧化鈉和碳酸鈉的比例，對(duì)燒堿進(jìn)行成分分析。一般使用雙指示劑法進(jìn)行酸堿滴定分析，其基本原理如下：

采用標(biāo)準(zhǔn)HCl溶液為滴定劑，酚酞作為第一指示劑，到達(dá)第一化學(xué)計(jì)量點(diǎn)后，再加甲基橙作為第二指示劑。第一化學(xué)計(jì)量點(diǎn)時(shí)，氫氧化鈉被完全中和，生成氯化鈉；碳酸鈉被中和了一半，生成碳酸氫鈉。用酚酞作指示劑，消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液的體積為V1，滴定反應(yīng)式見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

第二化學(xué)計(jì)量點(diǎn)時(shí)，中間產(chǎn)物碳酸氫鈉被中和，生成氯化鈉。用甲基橙作指示劑，消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)液的體積為V2，滴定反應(yīng)式見式(3)。

(3)

根據(jù)V1和V2的比例關(guān)系并計(jì)算，即可確定混合堿的組成和含量。

1.2 EDTA絡(luò)合滴定法——測(cè)定水的硬度

絡(luò)合滴定法是以絡(luò)合反應(yīng)為基礎(chǔ)的滴定方法，主要用于金屬物質(zhì)含量的測(cè)量。絡(luò)合反應(yīng)即金屬離子與配位體生成配合物的反應(yīng)。EDTA(乙二胺四乙酸)絡(luò)合物具有絡(luò)合比簡(jiǎn)單、絡(luò)合物穩(wěn)定、反應(yīng)速率快、顏色易觀察等優(yōu)點(diǎn)，因此成為使用最廣泛的絡(luò)合滴定劑。當(dāng)金屬離子被滴定時(shí)，隨著EDTA的加入，金屬離子被不斷絡(luò)合因而濃度不斷減小，直到到達(dá)滴定終點(diǎn)使指示劑變色，根據(jù)滴定劑的濃度和用量可計(jì)算出金屬離子含量。

EDTA絡(luò)合滴定法可用于水的硬度測(cè)定。通常將水中含有的鈣、鎂離子的總量稱為水的硬度，將含鈣、鎂離子含量較多的水稱為硬水。硬水對(duì)工業(yè)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生一定影響：洗滌過程中，如果水的硬度過高，會(huì)使肥皂沉淀而影響洗滌效果；在紡織工業(yè)上，如果使用了硬度過大的水，會(huì)使紡織物粗糙且染色困難。水的硬度是水質(zhì)的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，通過監(jiān)測(cè)可知道水是否適用于特定的工業(yè)生產(chǎn)和排放。因此，測(cè)量水的硬度對(duì)工業(yè)用水有著重要意義。應(yīng)用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定水的硬度原理如下：

pH=10時(shí)，水中的鈣、鎂離子能與EDTA生成穩(wěn)定的可溶性無色絡(luò)合物，滴定時(shí)用鉻黑T作指示劑。鈣、鎂離子與鉻黑T生成的酒紅色絡(luò)合物的穩(wěn)定性比鈣、鎂離子與EDTA生成的無色絡(luò)合物差。當(dāng)EDTA滴定時(shí)，先將游離的鈣、鎂離子絡(luò)合完后，再奪取指示劑絡(luò)合物中的鈣、鎂離子，使指示劑釋放出來，溶液由酒紅色變成藍(lán)色，達(dá)到終點(diǎn)。反應(yīng)方程式如式(4)～式(6)(M為金屬離子，In為指示劑的游離態(tài)，Y為配位劑)。

(4)

(5)

(6)

1.3 氧化還原滴定——重鉻酸鉀法測(cè)量鐵礦石全鐵含量

氧化還原滴定法是以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)的滴定方法。而重鉻酸鉀法是以重鉻酸鉀作為滴定劑的氧化還原滴定法，其最重要的應(yīng)用就是測(cè)定含鐵量。在工業(yè)上，重鉻酸鉀法更是用于測(cè)量鐵礦石中全鐵含量的標(biāo)準(zhǔn)方法。鐵礦石作為商品，在工業(yè)和貿(mào)易上位居第二，僅次于原油。鐵礦石的含鐵量是衡量其利用價(jià)值的重要標(biāo)準(zhǔn)，含鐵量越高的鐵礦利用價(jià)值越大。所以，準(zhǔn)確快速地測(cè)量鐵礦石中的含鐵量是非常有意義的。重鉻酸鉀法的基本原理是：

用濃鹽酸將試樣溶解后，用氯化亞錫將三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵，見式(7)。

(7)

再加氯化汞與過量氯化亞錫反應(yīng)除去，見式(8)。

(8)

最后，在酸性介質(zhì)條件下用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定二價(jià)鐵，見式(9)。

(9)

這種方法雖準(zhǔn)確度高，但也因?yàn)橐肓斯a(chǎn)生環(huán)境污染的問題，同時(shí)也存在分析過程復(fù)雜的缺陷。為了優(yōu)化該方法，現(xiàn)提倡采用無汞試劑或儀器分析法，但依然存在系統(tǒng)誤差大、試劑或儀器昂貴等問題。

1.4 沉淀滴定法——佛爾哈德法測(cè)定銀合金中銀含量

沉淀滴定法是以沉淀溶解平衡為基礎(chǔ)的滴定分析法。雖然形成沉淀的反應(yīng)很多，但有些反應(yīng)無法滿足滴定分析法對(duì)于準(zhǔn)確度和反應(yīng)速率的要求，因此可用于滴定分析的反應(yīng)不多，比較有實(shí)際意義的是生成難溶性銀鹽的沉淀反應(yīng)，即，銀量法。其中，以鐵銨礬為指示劑的銀量法稱為佛爾哈德法。在工業(yè)測(cè)量中，佛爾哈德法對(duì)測(cè)量銀合金中的銀含量十分有用。其基本原理如下：

先用硝酸溶解銀合金，后煮沸以免發(fā)生副反應(yīng)，見式(10)。

(10)

再用硫氰酸銨直接滴定銀離子，首先生成硫氰酸銀沉淀，見式(11)。

(11)

銀離子定量沉淀后，過量的硫氰酸銨溶液與指示劑中的鐵離子反應(yīng)生成紅色絡(luò)合物指示終點(diǎn)，見式(12)。

(12)

2 重量分析法

重量分析法是通過稱量物質(zhì)的量或質(zhì)量變化來確定被測(cè)組分含量的定量分析方法，與沉淀滴定法一樣，都是以沉淀溶解平衡為基礎(chǔ)。其原理比較簡(jiǎn)單，就是運(yùn)用主體元素在沉淀分離各步前、后質(zhì)量守恒。重量分析法在工業(yè)上也有一定的應(yīng)用，可以用于測(cè)量飲用水、地表水和廢水中硫酸根離子的含量和礦石中主體元素含量的測(cè)定。

3 結(jié)語

化學(xué)分析法具有操作簡(jiǎn)單、方便快捷、耗時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)，且在檢測(cè)時(shí)需要的樣品量也很少，這些優(yōu)點(diǎn)使其在工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)中占有很重要的地位。隨著科技不斷發(fā)展，化學(xué)分析法的實(shí)驗(yàn)方法不斷精進(jìn)，其在工業(yè)質(zhì)檢上的將發(fā)揮越來越重要的作用。