Определение содержания воды (влаги)

Определение содержания воды (влаги) составляет важную часть технического анализа, так как оно проводится во всех стадиях производства: при анализе сырья, вспомогательных материалов, полупродуктов и готовой продукции.

Лабораторные методы определения влаги разделяются на качественные и количественные.

Качественные методы обнаружения влаги

а) Проба на содержание влаги, основанная на гидролизе этилата алюминия. Проба заключается в том, что при смешении толуольного раствора этилата алюминия с испытуемым веществом при наличии влаги в нем в зависимости от ее содержания образуется слабая муть или осадок гидрата окиси алюминия:

Реакция дает положительный результат при содержании влаги в веществе 0,05% и более.

б) Проба на содержание влаги в органических растворителях алифатического ряда. Определение основано на том, что в присутствии следов воды взаимная растворимость алифатических (например, ацетон) и ароматических (бензол, толуол) растворителей понижается. Это можно наблюдать визуально по помутнению раствора. С повышением температуры взаимная растворимость повышается и муть исчезает. Проба очень чувствительна и дает возможность определить следы влаги.

в) Проба с безводным сульфатом меди. В присутствии влаги безводный сульфат меди переходит в кристаллогидрат, вследствие чего окраска соли меняется - становится голубой.

Количественные методы обнаружения влаги

а) Определение влаги высушиванием. В веществах, стойких к повышенной температуре, влагу определяют высушиванием до постоянной массы в сушильном шкафу, как правило, при температуре на 10-15 С ниже температуры плавления.

После высушивания при повышенной температуре в течение 30-50 мин бюксу охлаждают в эксикаторе и лишь после этого взвешивают. Постоянная масса считается достигнутой, если два последующих взвешивания после высушивания в течение часа дают разницу, не превышающую 0,0005 г.

Рис. 13. Прибор для определения влажности карбидным методом.

1 - реактор; 2 - штуцер; 3, 7 - резиновые трубки; 4 - измерительный цилиндр (бюретка); 5 - пробка; 6 - совок для карбида кальция; 8 - уравнительный цилиндр; 9 - штатив; 10 - противовес; 11 - тросик; 12 - блок; 13 - песчаная баня.

Навеску 5-10 г, взятую с точностью до 0,0002 г, помещают в высушенную и взвешенную бюксу. Бюксу с веществом высушивают до постоянной массы. Процентное содержание влаги (X) вычисляют по формуле:

где т - масса вещества до сушки, г; m1 - масса вещества после сушки, г.

Недостатки метода - длительность процесса сушки и невозможность применения для веществ, неустойчивых при повышенной температуре. Для таких веществ значительные преимущества имеет инфракрасная сушка. Использование инфракрасного излучения позволяет осуществлять более быстрый перенос тепла и более равномерное нагревание вещества, что значительно ускоряет анализ (15-20 мин). Определение влаги по данному методу производят при помощи инфракрасной лампы мощностью 500 Вт. Инфракрасную лампу укрепляют в штативе. За 5 мин до начала определения лампу включают в сеть, чтобы она прогрелась. Во взвешенную бюксу берут навеску анализируемого вещества в 1-3 г с точностью до 0,002 г. Бюксу с навеской помещают на асбест в центре освещенного круга и сушат до постоянной массы. Обычно сушка продолжается не более 10 мин. Затем бюксу охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

б) Карбидный метод. В основе метода лежит реакция между водой, содержащейся в исследуемом веществе, и карбидом кальция:

Выделяющийся газ - ацетилен - собирают в газосборную трубку, замеряют объем и по нему рассчитывают содержание влаги. Схема прибора для определения влажности по этому методу изображена на рис. 13.

Уравнительный сосуд частично заполнен, как и бюретка, насыщенным раствором хлорида натрия для создания гидравлического затвора и приведения объема газа в бюретке к нормальным условиям.

К резиновой трубке, идущей к газовой бюретке, присоединяют реакционную колбочку, к отростку при помоги резиновой трубки присоединяют пробирку для карбида кальция. Кран 2 поворачивают так, чтобы колба была соединена с газовой бюреткой, и уравнивают давление в приборе, т. е. приводят к одному уровню жидкости в газовой бюретке и в уравнительной трубке. Затем карбид кальция из совка 6 постепенно пересыпают к анализируемой навеске. Когда выделение газа прекращается, содержимое колбы тщательно перемешивают на водяной бане. По мере выделения газа сосуд 8 опускают ниже уровня жидкости в газовой бюретке, чтобы в приборе поддерживалось небольшое разрежение. Когда в газовой бюретке установится постоянный объем, измеряют объем выделившегося газа и отмечают температуру. Объем выделившегося газа приводят к нормальным условиям по уравнению:

где V - замеренный объем газа в бюретке, мл; Р - барометрическое давление, мм рт. ст.; В - давление водяных паров, мм рт. ст. (находят по табл. 3); Т - абсолютная температура окружающей среды.

По вычисленной величине У0 рассчитывают содержание влаги по формуле:

где X - процентное содержание влаги; alpha - навеска анализируемого вещества.

Этот метод относительно прост, но ошибка в определении составляет 0,6-0,9%.

в) Метод дистилляции (Дина-Старка). Метод относится к прямому определению влаги путем измерения количества воды, отогнанной с органическим растворителем (толуол, ксилол). Метод позволяет определять содержание влаги в твердых веществах и жидкостях.

В круглодонную колбу емкостью 250-500 мл (рис. 14) отвешивают 10-20 г анализируемого вещества, приливают 100 мл толуола или ксилола и бросают капилляры для равномерного кипения. Колбу присоединяют к отводной трубке приемника 2; приемник, представляющий собой градуированную на 5 или 10 мл пробирку, присоединяют к обратному холодильнику 3. Колбу нагревают сначала медленно, затем, когда большая часть воды перегонится, нагрев постепенно усиливают.

Таблица 3. Давление водяных паров в зависимости от температуры

Перегонку заканчивают, когда перегоняемый ксилол (или толуол) становится прозрачным и объем воды в приемнике больше не увеличивается. Содержание влаги в весовых процентах (X) вычисляют по формуле:

где V - количество отогнанной воды в приемнике, мл; alpha - навеска исследуемого вещества, г.

г) Йодометрическое определение влаги (метод Фишера). Реактив Фишера представляет собой раствор двуокиси серы, йода и пиридина в метаноле. Реакция с водой протекает стехиометрически по уравнению:

С помощью реактива Фишера можно точно и быстро определять небольшие количества воды как в органических, так и в неорганических соединениях, в различных растворителях. Титрованием реактивом Фишера Может быть определена как гигроскопическая, так и кристаллизационная влага. Для титрования применяют прибор, который представляет собой закрытую систему, состоящую из бюретки, защищенной хлоркальциевой трубкой, сосуда для подачи реактива и колбы для титрования, соединенной с бюреткой. Колба должна быть также снабжена предохранительной трубкой.

Рис. 14. Прибор для определения влажности методом дистилляции (по Дину и Старку).

А - общий вид: а - колба, б - приемник-ловушка, в - холодильник; Б - ловушка.

Ход анализа. Точную навеску препарата, содержащую приблизительно 0,03-0,05 г воды, помещают в сухую колбу емкостью 100 мл, в которую предварительно внесено 5 мл метилового спирта. Перемешивают 1 мин и титруют реактивом Фишера до перехода окраски от хроматно-желтой до красновато - коричневой. Параллельно титруют 5 мл метилового спирта (контрольный опыт). Содержание воды в процентах рассчитывают по формуле:

где V - количество реактива Фишера, израсходованное на титрование в основном опыте, мл; V - количество реактива Фишера, израсходованное на титрование в контрольном опыте, мл; а - навеска препарата, г; Т - титр реактива Фишера. Поскольку реактив Фишера неустойчив, титр его следует устанавливать в день применения по точной навеске 0,03-0,05 г воды.

г) Газохроматографический метод. Данный метод позволяет точно и быстро определить содержание воды в химических веществах. Определение производят способом нормализации пиков или способом внутреннего стандарта на газовых хроматографах "Цвет-102", "Цвет-104" или других с детектором по теплопроводности (катарометром).

Условия анализа. Спиральную колонку из нержавеющей стали 300x0,3 см заполняют пористым полимером "Полисорб-1" (0,1-0,3 мм). Температура испарителя 250 С, детектора - 300 С. В зависимости от задачи максимальная температура колонки не должна превышать 245 С. Газ-носитель - гелий, скорость потока 30-40 мл/мин; ток моста - 120 мА; величина пробы 2 мкл.