二安替比林甲烷光度法測定鈮鐵中鈦量

供稿|李月華

內(nèi)容導(dǎo)讀

鈮鐵是鋼鐵的重要合金添加劑，鈦是鈮鐵中的主要雜質(zhì)元素之一，準(zhǔn)確測定鈮鐵中鈦含量對生產(chǎn)和使用均具有重要的意義。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)鈮鐵中鈦含量的分析采用變色酸光度法，該方法用100 mL 鉑皿作為溶樣的器皿，分析成本高，而且穩(wěn)定性不是很好，對化驗(yàn)員操作技能要求較高，生產(chǎn)應(yīng)用有局限性。本文采用氫氟酸和硝酸在聚四氟乙烯燒杯中分解鈮鐵試樣，用草酸銨絡(luò)合鈮，在草酸銨–鹽酸介質(zhì)中，二安替比林甲烷與鈦形成黃色絡(luò)合物，于波長390 nm 處測量其吸光度，從而測得鈮鐵中鈦含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：二安替比林甲烷光度法穩(wěn)定性好，結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度均較高，解決了生產(chǎn)中精確測定鈮鐵中鈦含量的問題，已投入生產(chǎn)使用，效果良好。

鈮鐵是鋼鐵的重要合金添加劑，在煉鋼時(shí)加入適量的鈮鐵，會(huì)大幅度提高鋼材的強(qiáng)度、韌性、可焊性和耐腐蝕性[1]。在不銹鋼與耐熱鋼中加入鈮，有利于提高其塑性和抗蝕性。結(jié)構(gòu)鋼中加入鈮，可改善其焊接性能，提高強(qiáng)度和可塑性，并阻止焊縫腐蝕。對高溫鋼和高溫合金來說，鈮是不可缺少的，因?yàn)殁壙梢蕴岣吒邷貜?qiáng)度，細(xì)化晶粒，阻止高溫下晶粒長大。鈮與碳結(jié)合成碳化物，可消除碳化鉻沉積在不銹鋼中的有害作用，提高抗腐蝕能力。鈮鐵中主要雜質(zhì)元素包括鈦，如果鈦元素進(jìn)入鋼水中，可以變成夾雜物，直接影響鋼水質(zhì)量，因此準(zhǔn)確測定鈮鐵中鈦含量對生產(chǎn)和使用具有重要的意義。目前，鈮鐵中鈦含量的測定多采用變色酸光度法[2]；合金中鈦的測定，有報(bào)道使用二安替比林甲烷光度法應(yīng)用于鉻鐵[3]、錳鐵[4]、硅鐵[5]，而使用這種方法測定鈮鐵中鈦含量沒有相關(guān)文獻(xiàn)，本文采用二安替比林甲烷分光光度法測定鈮鐵中鈦含量。

實(shí)驗(yàn)

主要試劑

主要試劑及其質(zhì)量濃度：氫氟酸，1.15 g/mL；硝酸，1.42 g/mL；鹽酸，1.18 g/mL；過氧化氫，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%；硫酸（與水的體積比1︰1）；草酸溶液，50 g/L；草酸銨飽和溶液；亞硫酸鈉飽和溶液；抗壞血酸，100 g/L；二安替比林甲烷溶液，50 g/L（鹽酸與水的體積比1：1 溶液配制）。

鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制過程：稱取0.3336 g 預(yù)先于950 °C 灼燒至恒量的二氧化鈦（純度＞99.9%），置于250 mL 燒杯中，加入10 mL 硫酸（硫酸與水的體積比1︰1），再加入5 g 硫酸銨，蓋上表皿，加熱至冒硫酸煙，繼續(xù)加熱至二氧化鈦完全溶解，取下冷卻，用草酸溶液（50 g/L）洗入1000 mL 容量瓶中，并以草酸溶液（50 g/L）稀釋至刻度，混勻。此溶液鈦含量為200.0 μg/mL。（1）移取20.00 mL 鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液（200.0 μg/mL），置于200 mL 容量瓶中，用草酸溶液（50 g/L）稀釋至刻度，混勻。此溶液鈦含量為20.0 μg/mL；（2）移取5.00 mL 鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液（200.0 μg/mL），置于200 mL 容量瓶中，用草酸溶液（50 g/L）稀釋至刻度，混勻。此溶液鈦含量為5.0 μg/mL。

實(shí)驗(yàn)方法

按表1 稱取試料，準(zhǔn)確至0.1 mg。隨同試料做空白實(shí)驗(yàn)。

表1 鈦含量與試料量對應(yīng)表

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將試料置于100 mL 的聚四氟乙烯燒杯或100 mL 鉑皿中，加入5 mL 氫氟酸，5 mL 硝酸，低溫加熱至試料完全溶解，加入15 mL 硫酸（硫酸與水的體積比1︰1），繼續(xù)加熱至冒硫酸煙并保持15 min。

（2）取下稍冷，將試液移入預(yù)先盛有50 mL 草酸溶液（50 g/L）的250 mL 燒杯中，再以100 mL草酸溶液（50 g/L）分次洗滌原聚四氟乙烯燒杯或鉑皿，洗液合并于燒杯中，溶液加熱至80～90 °C 直至澄清。

（3）取下稍冷，加入2 mL 過氧化氫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%），加熱微沸30 s，取下，冷卻至室溫。將試液移入200 mL 容量瓶中，以40 mL 草酸溶液（50 g/L）分次洗滌燒杯，洗液合并于容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻。

（4）移取10 mL 試液和隨同試料空白各兩份，分別置于50 mL 容量瓶中，以下分別按顯色溶液和參比溶液操作進(jìn)行。顯色溶液：向一份試液和隨同試料的空白溶液中加入10 mL 草酸銨飽和溶液，1 mL 亞硫酸鈉飽和溶液，5 mL 抗壞血酸（100 g/L），5 mL 鹽酸，混勻，放置3 min，加入15 mL 二安替比林甲烷溶液（50 g/L），用水稀釋至刻度，混勻。參比溶液：向另一份試液和隨同試料的空白溶液中加入10 mL 草酸銨飽和溶液，1 mL 亞硫酸鈉飽和溶液，5 mL 抗壞血酸（100 g/L），5 mL 鹽酸，混勻，放置3 min，以水稀釋至刻度，混勻。

（5）顯色溶液和參比溶液放置30 min，將部分測量溶液移入適當(dāng)?shù)谋壬笾幸愿髯缘膮⒈热芤簽閰⒈龋诜止夤舛扔?jì)波長390 nm 處測量其吸光度。用顯色溶液的吸光度減去隨同試料空白實(shí)驗(yàn)的吸光度后，從校準(zhǔn)曲線上查出相應(yīng)的鈦量。

（6）校準(zhǔn)曲線所需溶液的配制：根據(jù)試料中鈦含量，取一組50 mL 容量瓶中，按表2 對應(yīng)含量分別加入鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液。鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液不足10 mL 的，加草酸溶液（50 g/L）補(bǔ)足10 mL，以下按顯色溶液操作加入各種試劑溶液，用水稀釋至刻度，混勻，放置30 min。

表2 鈦含量與加入鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液對應(yīng)表

（7）繪制校準(zhǔn)曲線：以不加入鈦標(biāo)準(zhǔn)溶液的一份為參比溶液，于分光光度計(jì)390 nm 處測量其吸光度，以鈦量為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)繪制校準(zhǔn)曲線。

結(jié)果與討論

結(jié)果的計(jì)算

按下式計(jì)算試料中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

式中：m1為從校準(zhǔn)曲線上查得顯色溶液的鈦量，μg；m為試料量，g；V為試液總體積，mL；V1為分取試液的體積，mL。

鈮干擾消除實(shí)驗(yàn)

二安替比林甲烷光度法檢測合金中鈦含量是比較傳統(tǒng)的方法，但二安替比林甲烷光度法用于鈮鐵的檢驗(yàn)難點(diǎn)為Nb5+、Fe3+、Mo6+、W6+有干擾，鈮鐵中鈮含量高，干擾影響較大。針對這個(gè)問題，我們制定了兩套方案進(jìn)行解決，并分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

方案一：用草酸銨絡(luò)合鈮。在草酸銨–鹽酸介質(zhì)中進(jìn)行測定。顯色液：草酸銨加二安替比林甲烷加鹽酸。

方案二：加酒石酸進(jìn)行掩蔽。試樣加入抗壞血酸后，F(xiàn)e3+還原成Fe2+，不影響測定。Mo6+還原成Mo5+，仍與二安替比林甲烷生成微黃色絡(luò)合物，但有酒石酸存在時(shí)會(huì)有所改善，低于10 mg 時(shí)，不干擾。加酒石酸量不宜過大，否則會(huì)改變鈦絡(luò)合物的形式，使其最大吸收向紫外區(qū)移動(dòng)。Nb5+和W6+也可被酒石酸絡(luò)合從而消除干擾。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明方案一可行，用草酸銨絡(luò)合鈮，在草酸銨–鹽酸介質(zhì)中進(jìn)行測定，現(xiàn)象明顯，結(jié)果穩(wěn)定。

光吸收曲線實(shí)驗(yàn)

取一鈮鐵樣品，按照方法進(jìn)行操作，于不同波長處進(jìn)行比色，結(jié)果如圖1?？梢钥闯觯诓ㄩL390 nm 處出現(xiàn)了最高峰，所以本實(shí)驗(yàn)選擇390 nm 為測定波長。

圖1 光吸收曲線實(shí)驗(yàn)圖

顯色條件實(shí)驗(yàn)

顯色反應(yīng)能否完全滿足分析的要求，除了主要與顯色劑本身的性質(zhì)有關(guān)外，控制好顯色反應(yīng)的條件也十分重要。影響顯色反應(yīng)的因素主要有溶液酸度、顯色劑用量、顯色時(shí)間、顯色溫度等，必須加以控制和選擇[6]。本實(shí)驗(yàn)選擇一鈮鐵樣品，分別改變顯色條件，按照實(shí)驗(yàn)方法操作，逐一對顯色條件進(jìn)行選擇。溶液酸度、顯色劑用量、顯色時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～4 所示。顯色溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在18～30 °C，溫度對結(jié)果基本沒有影響。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇顯色溫度為室溫，加入5 mL 鹽酸，15 mL 二安替比林甲烷，顯色時(shí)間為30 min。

圖2 鹽酸用量實(shí)驗(yàn)圖

圖3 顯色劑用量實(shí)驗(yàn)圖

圖4 吸光度–時(shí)間關(guān)系曲線

精密度和準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

選擇2 個(gè)不同含量的標(biāo)樣和一個(gè)試樣，每個(gè)樣品平行分析9 次，分析結(jié)果及精密度如表3。依據(jù)國標(biāo)中其他方法[2]，鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%~0.50%，允差為0.03%。鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%~1.00%，允差為0.05%。由表3 可以看出，該方法分析的精密度和準(zhǔn)確度均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠滿足生產(chǎn)需要。

表3 精密度和準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

結(jié)束語

用氫氟酸和硝酸分解試樣，用草酸銨絡(luò)合鈮，在草酸銨–鹽酸介質(zhì)中，二安替比林甲烷與鈦形成黃色絡(luò)合物，合適波長處測量其吸光度，從而測得鈮鐵中鈦含量的方法。結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度均較高，解決了精確測定鈮鐵中鈦含量的問題，為生產(chǎn)和使用單位鈦含量控制提供了技術(shù)支持。