Исследование возможности электрогравиметрического определения железа в электролитах гальванических ванн

Актуальность темы исследования обусловлена тем фактом, что железнение получило широкое распространение в некоторых отраслях промышленности для восстановления размеров изношенных деталей. Иногда проводят железнение чугунных деталей, чтобы получить прочное сцепление с цинковыми или оловянными покрытиями. В некоторых случаях практикуется железнение деталей, изготовленных из легированных марок стали, перед оксидированием. В последнее время электролитическое железнение служит для покрытия пластинок твердого сплава перед соединением их наплавкой. Железный слой предохраняет пластину твердого сплава от окисления при нагреве, увеличивает прочность сцепления и предохраняет от образования трещин при заточке и эксплуатации резцов. Железнение в некоторых случаях используется для жесткого закрепления неметаллических материалов. Наконец, процесс железнения широко применяется в полиграфической промышленности.

Любую операцию производства железнения различных конструкций необходимо пересматривать с целью уменьшения себестоимости и тем самым создания экономии в отрасли. Из всего многообразия направлений совершенствования технологии производства железнения в настоящем исследовании избран путь обновления методов контроля электролитов гальванических ванн: предприняты попытки повышения эффективности производства электролитического железа путем совершенствования методов количественного определения основного ингредиента сернокислых электролитов – железа. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1 – исследование возможности определения железа в электролите гальванической ванны методом электрогравиметрического анализа; 2 - сравнительная оценка предлагаемого метода определения железа в электролитах железнения и методов, применяемых на практике.

Новизна работы состоит в замене классического титриметрического метода на более эффективный физико-химический метод определения железа в электролитах железнения - метод электрогравиметрии.

Растворы, аппаратура

Объектом исследования послужил электролит состава (г/л): FeSO4∙7H2O – 200-250; H2SO4-2 – 2,5. Электрогравиметрические исследования проводились на установке для электролиза при контроле силы тока и напряжения. Электродами служили платиновые сетчатые электроды Фишера с площадью катодной поверхности 1 дм2. Для предотвращения сплавообразования железа с платиной катод перед каждым опытом по электроосаждению железа предварительно омедняли из электролита известного состава. В работе применены химико-технические и аналитические весы.

Изучение возможности определения железа в электролите гальванической ванны методом электрогравиметрического анализа

Как и любой метод количественного определения, электрогравиметрический анализ ставит своей основной задачей максимальное выделение определяемого металла в процессе электролиза. Электрогравиметрическое определение дает информацию об истинном содержании металла в образце лишь в том случае, если этот металл выделяется на электроде как осадок, удовлетворяющий требованиям электрогравиметрии. Именно для реализации на практике этих требований рекомендуется установить и поддерживать оптимальные значения основных параметров электроосаждения – рН, температуры, катодной плотности тока. Объективные данные о целесообразной кислотности были взяты из литературных данных. Именно кислая среда, создаваемая 2-2,5 г/л серной кислоты, предотвращает гидролиз солей железа (П) и способствует получению качественных осадков.

Учитывая, что при комнатной температуре процесс электроосаждения железа протекает очень медленно, опыты по электролитическому выделению железа проводились при нагревании до 35-40оС. В этом режиме проведена серия опытов по электроосаждению железа из электролита гальванической ванны. Предварительно 25 мл исходного электролита были разбавлены до метки в мерной колбе емкостью 250 мл, из которой в дальнейшем для каждого единичного опыта по электроосаждению отбиралась аликвота 100 мл, что соответствовало массе железа 0,4 г.

Для получения мелкокристаллических компактных осадков процесс электроосаждения железа начинался с малых значений плотности тока (это способствует постепенному зарождению центров кристаллизации осадка), а затем катодная плотность тока поднималась до величины 3 А/дм2. Электролиз в единичном опыте длился 35-40 мин.

Результаты электрогравиметрического определения железа

Выделено железа Содержание железа Основные метрологические характеристики электролизом, г в электролите, г/л метода n – 5

Данные таблицы показывают, что содержание железа близко к составу, указанному выше. Воспроизводимость и точность результатов анализа электролита железнения на содержание железа, характеризуемые величинами относительного стандартного отклонения единичного результата от среднего арифметического Sr и максимальной допустимой погрешности ε, соответственно, описываются малыми числовыми значениями, что положительно характеризует данный метод анализа. Электрогравиметрия, являясь безэталонным методом, по точности и воспроизводимости результатов превосходит другие методы, например, титриметрические методы анализа, в частности, перманганатометрический и дихроматометрический, используемые в практике заводских лабораторий.

Кроме того, известно, что вследствие неустойчивости перманганата калия его рабочий раствор готовится как вторичный стандартный раствор. Это означает, что после приготовления раствора KMnO4 последний оставляют на 7-10 дней, по истечении которых лишь тогда отделяют от раствора твердую массу (MnO2) посредством фильтрования и стандартизируют отделенный от осадка раствор путем титрования им стандартного раствора щавелевой кислоты или ее соли. Последние растворы необходимо заблаговременно приготовить. Имеющийся стандартный раствор перманганата калия периодически необходимо вновь стандартизировать, так как этот раствор по-прежнему остается неустойчивым, тo есть меняет свой титр.

Метод перманганатометрического титрования дает искаженные результаты, если в растворе имеются хлорид - ионы. Вместе с тем известно много электролитов, содержащих хлорид - ионы; эти электролиты широко используются в производстве электролитического железа. Для использования метода перманганатометрического титрования с целью определения железа в таких электролитах используют дополнительно защитную смесь Циммермана-Рейнгардта (содержит сульфат марганца, фосфорную и серную кислоты в определенных соотношениях). Все сказанное свидетельствует о трудоемкости метода перманганатометрического определения железа (П).

Применяемый также в практике заводских лабораторий дихроматометрический метод определения железа (П) обусловливает субъективную погрешность вследствие нечеткости фиксирования точки эквивалентности в процессе титрования. Оба производственных метода определения железа - перманганатометрический и дихроматометрический – предполагают использование таких токсичных веществ, как перманганат калия, щавелевая кислота, сульфат марганца, фосфорная кислота, сброс которых может нарушить экологический режим окружающей среды.

Таким образом, предложенный физико-химический метод определения железа – электрогравиметрия,- имеющий существенные достоинства перед названными методами классического титрования, может быть рекомендован для контроля содержания железа в электролитах железнения.