李冬梅,程曉寅,張學(xué)彬
(1寧波市食品檢驗(yàn)檢測研究院,浙江 寧波315048;2寧波市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院,浙江 寧波315048)
黃銅是制造機(jī)械零件的良好材料,常用于制造閥門、散熱器和空調(diào)內(nèi)外機(jī)連接管等。黃銅主要成分為銅、鋅,鋅含量高達(dá)5%~35%,同時含有少量的鉛、錫、鐵、鋁和其它雜質(zhì)等元素。GB/T 5231—2012對高含量鋅的要求以“余量”顯示,而對雜質(zhì)含量有具體要求。在日常檢驗(yàn)分析中,黃銅中各雜質(zhì)元素含量通過GB/T 5121.1~26—2008分別測定,操作步驟復(fù)雜煩瑣,試劑消耗多,測試速度慢,檢測流程長,不能滿足大批量檢測及快速檢測的要求;而且有時雜質(zhì)成分無法確認(rèn)測定,雜質(zhì)含量只能采用100%減去銅、鋅及已規(guī)定元素含量的方法求得。然而目前黃銅合金中高含量鋅的測定方法有:GB/T 5121.11—2008[1]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4-甲基-戊酮-2萃取分離-Na2EDTA[A1]滴定法,其鋅的測定范圍為0.000 05%~6.00%;GB/T 5 121.27—2008[2]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋅的測定范圍為0.000 05%~7.00%,均不能滿足黃銅中高含量鋅(5%~35%)的測定。
EDTA絡(luò)合滴定法因使用儀器簡單、試劑用量少、操作簡單、準(zhǔn)確性好,廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)的生產(chǎn)和質(zhì)量控制等,在鋁鋅合金[3]以及精鋅礦物[4]等物料分析中的應(yīng)用已有報道。李山[5]等人采用2-(5氯-2-吡啶偶氮)-5-二乙基氨基酚作指示劑絡(luò)合滴定連續(xù)測定銅和鋅,劉和連[6]等人采用硫酸鈉掩蔽,1-2(吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)作指示劑,EDTA滴定法測定黃銅中銅和鋅,楊桂珍[7]等人通過離子交換分離,用EDTA定法測定了黃銅中鋅含量。采用硫酸鉀和氯化鋇沉淀分離Pb后,再以氟化鉀和硫脲作掩蔽劑,以二甲酚橙做指示劑,利用ETDA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定黃銅中高含量鋅。實(shí)驗(yàn)中對酸溶條件、指示劑和酸度、干擾離子的掩蔽、六次甲基四胺的用量及方法的可靠性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明該方法能滿足實(shí)際樣品中高含量鋅的分析要求。
鹽酸;鹽酸(1+1);過氧化氫(30v/v%);氯化鋇溶液10 g/L;硫酸鉀溶液50 g/L;氟化鉀溶液100 g/L;硫脲溶液100 g/L。六次甲基四胺緩沖溶液(pH=5.5),稱取150 g六次甲基四胺于燒杯中,加入100 mL水、30 mL鹽酸,溶解后移入500 mL容量瓶中,定容,搖勻。二甲酚橙指示劑5.0 g/L;EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液0.02 mol/L,稱取8 g乙二胺四乙酸二鈉于1 000 mL燒杯中,加水微熱攪拌溶解,冷卻至室溫,移入試劑瓶中,用水稀釋至約1 L,搖勻,放置3 d后標(biāo)定。金屬鋅≥99.99%,使用前用0.1 mol/L鹽酸溶液清洗1 min,再用水和丙酮沖洗,并在50℃烘箱中烘干。
國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 物 質(zhì) :GBW(E)020015、684A、ZBY9041a和ZBY9221黃銅標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)除另行說明,實(shí)驗(yàn)室用試劑均為分析純水,水均為符合GB/T 6682—2008規(guī)定的三級以上的蒸餾水。
稱取0.2 g金屬鋅置于150 mL燒杯中,用少量水濕潤,蓋上表面皿,用滴管從燒杯口加入1:1鹽酸5 mL,低溫溶解,取下冷卻,用少量水吹洗表面皿和杯壁,小心地將溶液轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶中,用純水稀釋至標(biāo)線,搖勻。移取25 mL鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液于150 mL錐形瓶中,加水50 mL,3~4滴二甲酚橙指示劑,10 mL六亞甲基四胺溶液,用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,溶液由紅紫色變?yōu)榧凕S色即為終點(diǎn)。同時做空白實(shí)驗(yàn)。根據(jù)公式(1)計算EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液對鋅的滴定度:
式中:f為單位體積EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液相對于鋅的滴定度,g/mL;mZn為稱取金屬鋅質(zhì)量,g;V1為標(biāo)定時消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積,mL;V0為標(biāo)定時滴定空白實(shí)驗(yàn)溶液所消耗Na2EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積,mL。
稱取0.05~0.15 g(精確至0.000 1 g)的試樣于300 mL三角瓶中,蓋上表面皿;加入5 mL鹽酸(1+1),蓋上表面皿,逐滴加入1 mL過氧化氫(30%),放置。待試樣完全溶解后,在通風(fēng)櫥內(nèi)加熱至大量小氣泡冒出,從加熱器上移去三角瓶,反應(yīng)平穩(wěn)后繼續(xù)加熱除去剩余的過氧化氫,溶液中小而密的氣泡(O2)變少至無,繼續(xù)出現(xiàn)大而少的氣泡(水蒸汽),再加熱濃縮至2~3 mL左右(切勿蒸干),取下冷卻。加入3 mL氯化鋇溶液及硫酸鉀溶液20 mL,搖勻。加氟化鉀溶液20 mL,搖勻。加硫脲溶液10 mL,搖勻。加pH 5.5六次甲基四胺緩沖溶液10 mL,滴加二甲酚橙指示劑3~4滴,用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,溶液由紅紫色變?yōu)榧凕S色為終點(diǎn),15 s不褪色。隨同試樣做空白實(shí)驗(yàn),滴定消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積小于0.02 mL,含量可忽略不計。二甲酚橙指示劑的配置時間不宜過長,防止影響終點(diǎn)的判定。
按式(2)計算試樣中鋅含量:
式中:V2為滴定鋅時所消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;V0為滴定空白實(shí)驗(yàn)中鋅所消耗EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;f為EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度,mol/L;mCu為試樣的重量,g;65.38為鋅的摩爾質(zhì)量,g/mol。
稱取0.1 g黃銅標(biāo)準(zhǔn)樣品(ZBY9041a),對溶樣條件進(jìn)行了選擇和優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)選擇鹽酸進(jìn)行溶樣,并對不同濃度鹽酸的溶樣效果進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與鹽酸相比,鹽酸(1+1)對樣品的分解速度較快。采用鹽酸(1+1)分解樣品的過程中,滴加少量過氧化氫,可縮短大量溶樣時間。鹽酸(1+1)的用量實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)其用量為4~7 mL時,樣品溶解完全,鋅的測定值與認(rèn)定值一致,因此,實(shí)驗(yàn)優(yōu)先選用5 mL鹽酸(1+1)并滴加1 mL過氧化氫溶樣。
二甲酚橙指示劑的用量直接影響滴定終點(diǎn)的判斷。隨著滴定劑的逐滴加入,溶液的顏色逐漸從紅紫色逐步到橙,紅的成分繼續(xù)減少,直至終點(diǎn)的黃色。二甲酚橙指示劑過量,溶液仍是黃色,終點(diǎn)易過。因此,以實(shí)驗(yàn)方法的加入量為最佳,當(dāng)溶液從紅紫色變至橙色時,說明已快到終點(diǎn),要1滴多搖,使硫酸鉛鋇沉淀溶解吸附的Zn2+,此時會出現(xiàn)返色(又變紅),直到加1滴或半滴,搖動后出現(xiàn)不帶紅的黃色(或略帶米色,溶液中有白色沉淀),并能保持30 s即為終點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明,3~4滴二甲酚橙均可得到明顯終點(diǎn),鋅的測定值與認(rèn)定值一致。實(shí)驗(yàn)選用加入4滴二甲酚橙指示劑。
采用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定鋅時,要求pH>4。而二甲酚橙指示劑在pH>6.3時為紅色,在pH<6.3時其為黃色,pH=6.3時呈中間顏色,二甲酚橙與金屬離子鋅形成的絡(luò)合物是紅色,故滴定鋅時溶液酸度應(yīng)選擇在4<pH<6.1條件下,發(fā)生以下反應(yīng):MIn+H2Y2-→MY+H2In4-。
測定Zn2+的適宜酸度為pH=5.5終點(diǎn)時,溶液從紅紫色變?yōu)榧凕S色。同時在pH5.5條件下對ZBY9041a黃銅標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行滴定,鋅的測定值與認(rèn)定值一致。實(shí)驗(yàn)選用PH=5.5的酸度條件。
黃銅合金中干擾鋅含量測定的離子主要Cu2+、Pb2+、Sn4+、Fe3+、Al3+等。在實(shí)驗(yàn)條件下對Cu2+、Pb2+、Sn4+、Fe3+、Al3+等離子進(jìn)行了掩蔽。
3.4.1 Pb2+的掩蔽
在微酸性溶液中,加入適量的氯化鋇和硫酸鉀溶液,使生成硫酸鋇沉淀,溶液中共存的鉛也一起以PbSO4沉淀析出;當(dāng)Ba2+的量超過Pb2+量10倍以上時,Pb2+即會全部滲入硫酸鋇晶格中去,形成相當(dāng)穩(wěn)定的硫酸鉛鋇混晶沉淀,這種沉淀比單純的硫酸鉛沉淀穩(wěn)定得多。實(shí)驗(yàn)選用氯化鋇和硫酸鉀溶液作為Pb2+的掩蔽劑。實(shí)驗(yàn)表明,加入3 mL氯化鋇溶液和20 ml硫酸鉀溶液,可完全掩蔽Pb2+。本實(shí)驗(yàn)中加入3 mL氯化鋇溶液和20 mL硫酸鉀溶液。
3.4.2 Cu2+的掩蔽
黃銅中含銅量占60%左右。熟知硫脲是銅的良好掩蔽劑,在一定酸度(pH=2~6)下,把Cu2+還原成 Cu+,8Cu2++CS(NH2)2+5H2O=8Cu++CO(NH2)2+SO42-+10H+。同時,硫脲與Cu+形成絡(luò)合物(lgβ=15.4),從而掩蔽Cu2+,達(dá)到與鋅的分離。
實(shí)驗(yàn)選用硫脲作為Cu2+的掩蔽劑,在pH=5.5條件下掩蔽Cu2+,而且其他離子在此條件下大都不與硫脲作用,從而提高了測定結(jié)果的準(zhǔn)確度。已知Cu(Ⅰ)-硫脲絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)為良lgβ=15.4,Zn(Ⅱ)-EDTA絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)為lgβ=16.5,在pH=5.5時,該絡(luò)合物的酸效應(yīng)系數(shù)lgαY(H)=5.51,因此,條件穩(wěn)定常數(shù)可根據(jù)公式 lgK'=lgβ-lgαY(H)算出;Cu(Ⅰ)-硫脲的條件穩(wěn)定常數(shù)lgK'=9.89;Zn(Ⅱ)-EDTA的條件穩(wěn)定常數(shù)lgK'=10.99;上述的條件穩(wěn)定常數(shù)遠(yuǎn)大于8,故Cu能被硫脲全部掩蔽,鋅能被EDTA準(zhǔn)確滴定。實(shí)驗(yàn)表明,在pH=5.5條件下,加入10 mL硫脲溶液,在1 min中可完全掩蔽Cu2+。
3.4.3 Sn4+、Fe3+、Al3+的掩蔽
F-與Sn4+、Fe3+、Al3+等生成穩(wěn)定的絡(luò)合物(SnF62-、FeF63-、AlF63-)。實(shí)驗(yàn)選用氟化鉀作為Sn4+、Fe3+、Al3+等離子的掩蔽劑。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)加入的氟化鉀溶液到18 mL時,鋅的測定結(jié)果趨于穩(wěn)定,掩蔽Sn4+、Fe3+、Al3+的目的已經(jīng)達(dá)到。為完全除去Sn4+、Fe3+、Al3+的干擾,本實(shí)驗(yàn)中加入20 mL氟化鉀溶液。
以二甲酚橙作指示劑,10~25 mL六次甲基四胺溶液均能控制體系的pH在5~6,均可得到滿意結(jié)果。采用加入15 mL六次甲基四胺緩沖溶液。
為了考察方法的精密度,對鋅含量不同的黃銅進(jìn)行了10次測定,計算平均值和相對偏差(RSD),結(jié)果見表1。從表1可以看出鋅的RSD為0.17%~0.22%,方法具有較好的精密度。
表1 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果 %
按照實(shí)驗(yàn)方法,對 GBE(E)020015、684A、ZBY9041a和ZBY9221四種黃銅標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中鋅含量進(jìn)行測定,并將測定值與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的認(rèn)定值進(jìn)行對照,結(jié)果見表2。從表2的結(jié)果可以看出,鋅測定結(jié)果均在認(rèn)定值允許的誤差范圍內(nèi),結(jié)果準(zhǔn)確。
表2 黃銅標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中鋅的測定結(jié)果 %
由于錳、鎳、鎘含量高時,滴定終點(diǎn)不明顯,難以控制,所以本方法不適于鎳、錳及鎘含量高的銅合金樣品。
采用鹽酸、過氧化氫溶樣,用硫酸鉀和氯化鋇沉淀分離Pb,用氟化鉀掩蔽Sn4+、Fe3+、Al3+,用硫脲掩蔽Cu2+,在pH=5.5六次甲基四胺溶液中,以二甲基橙為指示劑,用ETDA絡(luò)合滴定測定其含鋅量。方法能夠滿足實(shí)際樣品中高含量的準(zhǔn)確度和精密度要求,可用于實(shí)際樣品的分析和質(zhì)量控制。