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        重鉻酸鉀滴定法測(cè)定海洋沉積物中氧化亞鐵的不確定度評(píng)定

        2021-10-11 09:30:18郭升平
        化學(xué)分析計(jì)量 2021年9期
        關(guān)鍵詞:氧化亞滴定管重鉻酸鉀

        郭升平

        (福建省測(cè)試技術(shù)研究所,福州 350003)

        海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為測(cè)試沉積物中元素含量的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn),是地球化學(xué)測(cè)試中量值同一指標(biāo)的重要依據(jù),也可用于日常分析中質(zhì)量控制和分析儀器的校正。氧化亞鐵是海洋沉積物定值成分之一。氧化亞鐵的分析方法通常有電位滴定法、氧化還原滴定法、重鉻酸鉀滴定法等[1-4]。與高效液相色譜法、離子色譜法、X 射線熒光法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、分光光度法等儀器分析法相比,滴定分析法屬于容量分析,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度較小且低于儀器分析法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度[5-13],適用于氧化亞鐵的測(cè)定。

        測(cè)量不確定度用于表征合理賦予被測(cè)量值的分散性,給出測(cè)量結(jié)果的置信度和置信區(qū)間,是與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù)[14-15]。不確定度定量表達(dá)了測(cè)量結(jié)果可疑程度,也可以說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量能力水平。通過(guò)對(duì)測(cè)量不確定度的研究,可以評(píng)估所測(cè)結(jié)果是否可信,評(píng)價(jià)滴定過(guò)程中人工操作和設(shè)備操作的精度差異;通過(guò)識(shí)別檢測(cè)過(guò)程中各因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度,可以有針對(duì)性地對(duì)檢測(cè)過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行控制,以降低測(cè)量不確定度。目前重鉻酸鉀滴定法測(cè)定海洋沉積物中氧化亞鐵不確定度的評(píng)定未見(jiàn)報(bào)道。筆者根據(jù)GB/T 14506.14—2010,建立重鉻酸鉀滴定法測(cè)定海洋沉積物中氧化亞鐵含量不確定度的評(píng)定方法。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 儀器與試劑

        電子天平:ME204 型,稱量范圍為0~200 g,分辨率為±0.1 mg,校準(zhǔn)誤差為±0.2 mg,梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司。

        重鉻酸鉀基準(zhǔn)物:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(99.95±0.05)%,編號(hào)為GBW(E) 060313,國(guó)防科技工業(yè)應(yīng)用化學(xué)一級(jí)計(jì)量站。

        滴定管:50 mL,校正值為±0.01 mL,最小標(biāo)線為0.1 mL,天玻玻璃儀器有限公司。

        A 級(jí)容量瓶:1 000 mL,天玻玻璃儀器有限公司。

        二苯胺磺酸鈉指示劑:稱取0.5 g 二苯胺磺酸鈉,用水溶解并稀釋至100 mL。

        實(shí)驗(yàn)所用二苯胺磺酸鈉、碳酸氫鈉、氟化鈉等試劑:化學(xué)純,西亞化學(xué)科技(山東)有限公司。

        海洋沉積物樣品:采自我國(guó)東海陸架海區(qū)的海底,由廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院提供。

        實(shí)驗(yàn)用水為三級(jí)水。

        1.2 樣品處理

        沉積物樣品晾干后,經(jīng)粗磨、去鹽、干燥、勻化加工,置高鋁瓶球磨機(jī)中細(xì)磨24 h,過(guò)74 μm(200 目)篩,分瓶封存。準(zhǔn)確稱取該試樣0.2 000 g,置于300 mL 錐形瓶中,分別加入0.5~1 g 碳酸氫鈉和氟化鈉,加入(1∶1)鹽酸溶液,采用盛有飽和碳酸氫鈉溶液的康氏漏斗密封,置電熱板上加熱至樣品溶解,冷卻至室溫后,根據(jù)GB/T 14506.14-2010[16],采用基準(zhǔn)重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。

        1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

        稱取1.365 g 預(yù)先干燥的基準(zhǔn)重鉻酸鉀,溶解于水中,移入1 000 mL A 級(jí)容量瓶中,用水稀釋至標(biāo)線,搖勻,得重鉻酸鉀質(zhì)量濃度為1.365 mg/mL的滴定標(biāo)準(zhǔn)溶液。

        2 計(jì)算公式和數(shù)學(xué)模型

        氧化亞鐵的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))按公式(1)計(jì)算:

        3 不確定來(lái)源

        對(duì)可能產(chǎn)生不確定度的主要因素進(jìn)行分析,其中主要有以下幾點(diǎn):

        (1)氧化亞鐵、重鉻酸鉀摩爾質(zhì)量引入的不確定度urel(M1)、urel(M2);

        (2)標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程包括標(biāo)準(zhǔn)品純度、稱量質(zhì)量及定容體積等引入的不確定度urel(C);

        (3)樣品稱量過(guò)程(天平校準(zhǔn)誤差)引入的不確定度urel(m);

        (4)試料滴定過(guò)程包括滴定管、溫度、滴定終點(diǎn)判斷引入的不確定度urel(V);

        (5)空白滴定過(guò)程引入的不確定度urel(V0);

        (6)測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度urel(X)。

        計(jì)算上述6個(gè)分量的不確定度,得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(ω)。

        4 不確定度分量的評(píng)估

        4.1 氧化亞鐵、重鉻酸鉀摩爾質(zhì)量的不確定度

        根據(jù)元素的原子序數(shù)及其相對(duì)原子質(zhì)量,分子摩爾質(zhì)量的不確定度通過(guò)各元素的原子質(zhì)量不確定度合成。部分元素的原子序數(shù)及其相對(duì)原子質(zhì)量如表1 所示。

        表1 部分元素相對(duì)原子質(zhì)量表

        根據(jù)表1 數(shù)據(jù),可以得出氧化亞鐵和重鉻酸鉀的摩爾質(zhì)量分別為:

        4.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程引入的不確定度

        標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程引入的不確定度由標(biāo)準(zhǔn)品純度、稱量、定容體積的不確定度組成。

        4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)品純度

        基準(zhǔn)重鉻酸鉀物質(zhì)的純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為ρ=(100.00±0.05)%,最大允許誤差為0.05%。取矩形分布,轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,即為u(ρ)=0.000 29,其相對(duì)不確定度為urel(ρ)=0.000 29。

        4.2.2 稱量質(zhì)量

        稱量重復(fù)性和稱量誤差相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為:

        4.2.3 定容體積

        定容體積1 000 mL 引入的不確定度由兩部分組成:定容器皿容量允差引入的不確定度u(V1)和因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致量器內(nèi)溶液體積變化引入的不確定度u(V2)。

        由JJG 196—2006 規(guī)程[18]可知,1 000 mL A 級(jí)容量瓶示值允許差為±0.40 mL,取三角分布,則定容器皿容量允差引入的不確定度:

        u(V1) = 0.40/ 6 = 0.16 mL

        溫度誤差引起的不確定度:容量器皿出廠時(shí)的校準(zhǔn)溫度為20 ℃,實(shí)驗(yàn)室溫度在±5 ℃范圍內(nèi)變化,液體(水)體積膨脹系數(shù)(2.1×10-4/℃)顯著大于容量器皿的體積膨脹系數(shù)(1×10-5/℃),故忽略溫度對(duì)器皿本身體積的影響。ΔV=2.1×10-4×1 000×5=1.05 mL,取矩形分布計(jì)算,因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致量器內(nèi)溶液體積變化引入的不確定度:

        4.3 試樣質(zhì)量稱量引入的不確定度

        電子天平校準(zhǔn)誤差為±0.2 mg,按均勻分布,包含因子k= 3,因此其標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

        稱取試樣質(zhì)量為0.201 0 g,其引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

        4.4 試料滴定過(guò)程引入的不確定度

        將已溶解的試料滴加二苯胺磺酸鈉指示劑,用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至穩(wěn)定的紫色為終點(diǎn),滴定過(guò)程使用50 mL 滴定管,滴定體積不確定度來(lái)源包括3 個(gè)方面:

        (1)滴定管校準(zhǔn)引入的不確定度。根據(jù)JJG 196—2006 規(guī)程,50 mL A 級(jí)滴定管容量允差為±0.05 mL,按矩形分布,滴定管體積的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.05/ 3 =0.028 9 mL。

        (2)溫度引發(fā)的體積變化不確定度??紤]到液體體積的膨脹系數(shù)(水,2.1×10-4/℃)顯著大于容量器皿的體積膨脹系數(shù)(玻璃器皿,1×10-5/℃),故忽略溫度對(duì)玻璃器皿本身體積的影響,只計(jì)算溫度對(duì)液體體積的影響。容量器皿出廠時(shí)的校準(zhǔn)溫度為20 ℃,試驗(yàn)過(guò)程的溫差小于5 ℃,滴定體積約為2 mL,根據(jù)矩形分布,溫度變化5 ℃引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為2.1×10-4×5×2/ 3 =0.001 22 ℃。

        (3)滴定終點(diǎn)引入的不確定度。包括滴定等當(dāng)點(diǎn)誤差和人為判斷誤差組成。實(shí)際滴定過(guò)程等當(dāng)點(diǎn)的范圍約為1~2 滴。理論上滴定終點(diǎn)與等當(dāng)點(diǎn)之間存在0.1%~0.2%的誤差[12],取0.2%,按矩形分布,終點(diǎn)誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.2%×2/ 3=0.002 31 mL。50 mL 滴定管的最小標(biāo)線為0.1 mL,人眼判斷在半個(gè)標(biāo)線之間,取0.05 mL,按照矩形分布,人為判斷誤差引入的不確定度為0.05/ 3=0.028 9 mL。因此,滴定終點(diǎn)引入的不確定度:

        4.5 空白值滴定過(guò)程引入的不確定度

        空白值的測(cè)定簡(jiǎn)化為對(duì)全流程試料空白值的滴定??瞻字禍y(cè)定同公式(1),不確定度來(lái)源分析同4.4 方法。由于滴定空白消耗的重鉻酸鉀溶液體積V0=0.05 mL,遠(yuǎn)小于滴定試料消耗的重鉻酸鉀溶液體積V=1.733 mL,對(duì)鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度的影響極小,空白滴定引入的相對(duì)不確定度:

        4.6 測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)引起的不確定度評(píng)定

        采用重鉻酸鉀滴定法對(duì)樣品進(jìn)行6 次重復(fù)測(cè)定,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 同一樣品多次重復(fù)測(cè)定結(jié)果 mL

        根據(jù)貝塞爾公式,計(jì)算重復(fù)測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差為0.025 8%,重復(fù)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

        5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

        各分量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總見(jiàn)表3。

        表3 各分量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

        表3 中各不確定度分量互不相關(guān),得重鉻酸鉀滴定法測(cè)量海洋沉積物中氧化亞鐵含量的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

        6 擴(kuò)展不確定度

        取包含因子k=2,得擴(kuò)展不確定度:

        7 報(bào)告不確定度

        重鉻酸鉀滴定法測(cè)量海洋沉積物中氧化亞鐵的含量(n=6)為ω=(1.68±0.07)%,k=2。

        8 討論

        8.1 不確定度的主要來(lái)源

        滴定分析是建立在滴定反應(yīng)基礎(chǔ)上的定量分析法,滴定誤差主要包括稱量誤差、量器誤差和方法誤差,研究滴定過(guò)程的測(cè)量不確定度,可降低誤差風(fēng)險(xiǎn),提高檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度,提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。重鉻酸鉀滴定法測(cè)量海洋沉積物中氧化亞鐵,各分量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度對(duì)比圖見(jiàn)圖1。由圖1 可知,重復(fù)性測(cè)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(X)、試料滴定過(guò)程引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(V)較為顯著。而氧化亞鐵和重鉻酸鉀摩爾質(zhì)量、重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液質(zhì)量濃度、樣品稱量過(guò)程引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略不計(jì)。

        圖1 各分量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度對(duì)比圖

        8.2 自動(dòng)滴定儀

        重復(fù)性測(cè)量、試料滴定過(guò)程是重鉻酸鉀滴定法測(cè)量海洋沉積物中氧化亞鐵含量不確定度的主要來(lái)源,為控制主要不確定度來(lái)源,可通過(guò)使用自動(dòng)滴定儀來(lái)實(shí)現(xiàn)。用自動(dòng)滴定儀后各分量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度對(duì)比圖如圖2 所示。自動(dòng)滴定儀在滴定過(guò)程采集信號(hào)為0.1 mV,滴定最小進(jìn)給量可達(dá)到0.005 mL,比人為滴定的精度提高約10 倍,可大幅降低滴定體積帶來(lái)的不確定度,按最小進(jìn)給量計(jì)算urel(V)=0.002,實(shí)際可達(dá)到0.000 2[19]。0.5 級(jí)自動(dòng)滴定儀測(cè)量重復(fù)性可達(dá)到0.3%,得urel(ω)=0.003 7,自動(dòng)滴定的不確定度僅為人工滴定的1/5。

        圖2 采用自動(dòng)滴定儀后各分量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度對(duì)比圖

        8.3 其它實(shí)驗(yàn)條件對(duì)測(cè)量不確定度的影響

        考慮到實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件和成本,在降低部分實(shí)驗(yàn)要求狀況下,如采用B 級(jí)滴定管和容量瓶、使用較低精度電子天平、放寬實(shí)驗(yàn)溫度控制范圍(±10 ℃)等,這部分過(guò)程引入的不確定度分量較小,并不影響實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的不確定度。

        9 結(jié)語(yǔ)

        建立了重鉻酸鉀滴定法測(cè)定海洋沉積物中氧化亞鐵不確定度的評(píng)定方法,對(duì)包括基準(zhǔn)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量、純度,稱量過(guò)程、標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程、滴定過(guò)程的溫度、玻璃量具體積、測(cè)量重復(fù)性等因素引入的不確定度進(jìn)行評(píng)定。采用B 級(jí)滴定管、容量瓶、擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)溫度范圍并不影響總的測(cè)量不確定度,還可以降低實(shí)驗(yàn)成本。通過(guò)相對(duì)不確定度分量對(duì)比,得出滴定過(guò)程和測(cè)量重復(fù)性是影響檢測(cè)可靠性的主要來(lái)源。采用自動(dòng)滴定儀可減少人工誤差和提高測(cè)量重復(fù)性,大幅降低這兩方面的不確定度分量,進(jìn)而降低總測(cè)量不確定度。

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