Определение содержания углерода и водорода микрометодом

Для определения содержания углерода и водорода органическое вещество сжигают до СO2 и Н2O и определяют количество продуктов сгорания. Сжигание, как правило, проводят в кислороде, иногда в присутствии катализатора. Определение количества двуокиси углерода и воды, образующихся при сжигании, можно проводить газометрическим, объемным и весовым методами. Наиболее простым является весовой метод, основанный на поглощении и взвешивании двуокиси углерода в поглотительном сосуде, содержащем вещество, химически связывающее СO2. Для поглощения двуокиси углерода применяют раствор едкого кали, натронную известь или аскарит, а для поглощения воды - безводный хлорид кальция, концентрированную серную кислоту, безводный сульфат кальция, полученный высушиванием гипса при 230-250 С, ангидрон [безводный перхлорат магния Mg(ClO4)2].

Если вещество, кроме углерода, водорода и кислорода, содержит другие элементы, их улавливают в специальных сосудах, и они не мешают определению воды и двуокиси углерода. Так, например, если проба содержит галогены и серу, то, чтобы поглотить их, в трубку для сжигания помещают платиновую или кварцевую лодочку длиной 60 мм, наполненную электролитическим серебром.

При температуре 450 С электролитическое серебро количественно поглощает хлор и другие галогены, а при 650 С - окислы серы. Если испытуемое вещество содержит азот, то образующиеся при сжигании окислы азота адсорбируются в специальном сосуде, который помещают между сосудами для поглощения воды и двуокиси углерода. Для поглощения окислов азота применяют мелко измельченный силикагель, пропитанный раствором бихромата калия в 98% серной кислоте.

Определение углерода и водорода производят на установке, схема которой приведена на рис. 15. Установка состоит из газометра 1, трех осушительных склянок 2, крана с насадкой 3, прибора для очистки кислорода 4, электропечей 5, 10, 11, U-образных трубок 6, 7, трубки Для сжигания пробы 8, горелки 9, поглотительных сосудов для воды, двуокиси углерода 12, 13, трубки 14, аспиратора 15 и мерного цилиндра 16. Осушительные склянки служат для предварительной осушки кислорода, поступающего из баллона. Первую осушительную склянку наполняют на 1/3 концентрированным раствором КОН, вторую - натронной известью, третью - прокаленным хлоридом кальция. Прибор для очистки кислорода предназначен для сжигания незначительных примесей органических веществ, которыми может быть загрязнен кислород. U-образные трубки служат для поглощения воды и двуокиси углерода, образующихся после сжигания органических примесей кислорода. Трубка для сжигания изготовляется из прозрачного кварца с боковым отводом и оттянутым носиком, через который поступает кислород. Толщина стенок трубки 1,0-1,5 мм. Трубку нагревают электропечью. Сосуды для поглощения двуокиси углерода и воды являются наиболее важной частью установки; они изготавливаются из стекла. Новые поглотительные аппараты обрабатывают 10% раствором соляной кислоты. Для этого их помещают в стакан с кислотой и нагревают 2 ч на кипящей водяной бане. После этого их промывают хромовой смесью, дистиллированной водой, спиртом, эфиром и сушат, сначала просасывая воздух водоструйным насосом, а затем в сушильном шкафу при 120 С.

Рис. 15. Схема установки для определения содержания углерода и водорода.

1 - газометр; 2 - осушительные склянки; 3 - кран с насадкой; 4 - прибор для очистки кислорода; 5 - электропечь; 6, 7 - U-образные трубки; 8 - трубка для сжигания пробы; 9 - горелка; 10, 11 - электропечи; 12, 13 - поглотительные сосуды; 14 - заключительная трубка; 15 - аспиратор; 16 - мерный цилиндр.

Сосуд для поглощения воды наполняют прокаленным хлоридом кальция. Для поглощения двуокиси углерода поглотительный сосуд наполняют натронной известью слоем 30 мм, заключенный между двумя прокладками из стеклянной ваты, и слоем аскарита. Трубка 14 помещается между поглотительным сосудом для двуокиси углерода и аспиратором. Ее назначение - предохранять поглотительный аппарат для двуокиси углерода от попадания в него влаги из аспиратора; ее изготавливают из обычного стекла и наполняют прокаленным хлоридом кальция. Широкий конец трубки закрывают резиновой пробкой, в отверстие которой вставлена стеклянная соединительная трубка, согнутая под прямым углом. Резиновый шланг аспиратора надевают на соединительную трубку. Другой конец трубки 14 соединяют встык с поглотительным аппаратом для двуокиси углерода посредством толстостенной резиновой трубки. Аспиратор служит для измерения количества кислорода, расходуемого во время сжигания, и поддержания атмосферного давления в местах соединений поглотительных сосудов.

Через вновь собранную установку при нагретых электропечах пропускают в течение 30 мин кислород (50 мл/мин); за это время трубку для сжигания несколько раз прокаливают электрогорелкой. Такое прокаливание повторяют каждый раз перед началом анализа. При этом к установке присоединяют поглотительные сосуды и пропускают 500 мл кислорода со скоростью 35-50 мл/мин. Затем поглотительные сосуды отключают, вытирают, кладут на металлическую подставку и оставляют около весов. Через 5 мин сосуд для поглощения двуокиси углерода подвешивают на крючки левой чашки весов, выдерживают еще 5 мин и взвешивают. Затем на чашку весов помещают сосуд для поглощения воды и взвешивают. Поглотительные сосуды всегда взвешивают в одном и том же порядке и через одинаковый промежуток времени после вытирания (первый - через 10 мин, второй - через 15 мин). К трубке для сжигания присоединяют взвешенные поглотительные сосуды. Последний сосуд (для поглощения СO2) при помощи заключительной трубки соединяют с аспиратором.

Навеску испытуемого вещества около 3-7 мг, взятую на микроаналитических весах, в стаканчике помещают в трубку для сжигания на расстоянии 10 см от электропечи так, чтобы открытый конец стаканчика был обращен к печи, и приступают к сжиганию. Для этого электрогорелку помещают у открытого конца стаканчика с навеской и постепенно передвигают ее навстречу потоку кислорода, который поступает из газометра со скоростью 35-50 мл/мин. Скорость передвижения горелки зависит от свойств анализируемого соединения. Если разложение вещества протекает слишком бурно, о чем судят по появляющимся в стаканчике вспышкам, горелку отодвигают к открытому концу стаканчика (далее отодвигать не следует). Когда все вещество обуглится, горелку продвигают в несколько приемов до конца стаканчика и процесс сжигания заканчивают. После этого горелкой прокаливают трубку по всей длине до электропечи. По окончании сжигания снимают поглотительные сосуды и взвешивают их. По увеличению массы поглотительных сосудов вычисляют содержание углерода и водорода. Процентное содержание углерода (Хс) вычисляют по формуле:

где Кс - коэффициент пересчета двуокиси углерода на углерод, равный 0,2729; а - масса двуокиси углерода, мг; g - навеска анализируемого вещества, мг.

Процентное содержание водорода (Хн2) вычисляют по формуле:

где Кн - коэффициент пересчета воды на водород, равный 0,1119; a1 - масса воды, мг; g - навеска анализируемого вещества, мг.