钢中锰含量的测定
实验钢中锰含量(w Mn)的测定
一、实验导读
1.钢材的化学成分
钢铁是由多种元素组成的合金，除铁元素外，普通钢材中还含有碳、硅、锰等元素。而合金钢则可能含有铬、钛、镍、铝、钒等元素。钢材中通常还有硫、磷等有害元素，需要严格控制其含量。一些黑色金属材料的化学成分见表。
表7·1常见黑色金属材料的化学成分
普通钢材中叭血)=0.3-0.8,W(血)=0.9，1·2时，称高含锰钢。
钢铁的化学成分分析给钢铁冶炼过程提供了必须的信息，是调整和控制钢铁化学组成和确保冶炼质量的依据。
2，吸光光度分析
吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法，包括比色法、可见分光光度法、紫外分光光度法以及红外光谱法等。本实验所涉及的是可见光区的吸光光度分析法。
可见光光度分析的基本原理是基于吸光定律，也称朗伯-比尔定律。当一束一定波长的单色光通过有色溶液时，有色溶液对光的吸收程度与溶液的浓度及液层的厚度成正比。其数学表达式为
通过溶液后光的强度;
有色溶液层厚度;
K二一比例系数。
如果光线通过溶液完全不被吸收，则斤兰乙这时1g(h/A4)=0;光线被吸收得越多，通过溶液后光的强度几越小，则1g(Zo/A)的数值越大。因此这一项是表示光线通过溶液时被吸收的程度，通常称为吸光度，也称光密度或消光度，用人表示;比例常数K也称吸光系数，与人射光的波长、溶液的性质以及温度有关。将以V0/7，)用A 表示，则有
A兰KcJ
固定液层厚度不保持不变，则吸光度与溶液的浓度成正比。故测出有色溶液的儿就可以求出它的浓度。
可见光度分析有目视比色法和分光光度法两种分析方法。
与容量分析和质量分析相比较，吸光光度分析法有以下特点:灵敏度高、测量速度快、应用广泛，各种元素几乎都可以用光度法测定。容量分析法和质量分析法通常用于测定含量较高
(一般在1以上)的物质，用于微量组分的分析较困难。而比色分析法则主要用于微量组分的分析，比色分析测量物质的浓度一般为10"，-10"6ml·L"1(相当于0·叨1-0·0叨 1)。
二、实验提要
1·目视比色法
用眼睛直接观察溶液颜色的深浅，以确定物质含量的方法叫做目视比色法。首先在比色管中配制一系列不同浓度的标准溶液，将标准溶液系列和被测溶液在同样条件下进行比较，当被测溶液与某标准溶液颜色的深浅一样时，则可认为两者的浓度相等。这样，由标准溶液的浓度就可知道被测溶液的浓度。
目视比色法的优点是仪器简单、操作方便，因为液层厚，观察很浅的颜色比较合适。缺点是用眼睛观察颜色，分辨率受到一定的限制，因此准确度较差。通常误差为5，20。
2·分光光度法
利用光电池代替人的眼睛，测量有色溶液对某一波长的单色光的吸收程度，从而求得待测物质含量的方法叫分光光度法。这种方法的优点是消片除了主观误差，提高了测量的准确度。
分光光度法测定试样浓度，首先要作标准曲线，即
配制一系列不同浓度的标准溶液，测定其光密度值，然人
后以光密度为纵坐标，以浓度为横坐标，绘制标准曲线
(图7·1)。然后在相同条件下测定未知试样的光密度
山值，由光密度可从标准曲线上找出相应点x，点力对
应的浓度值q即为待测溶液的浓度。
3·钢样中锰含量测定的化学反应原理图7·1光密度与浓度的关系
将一定质量的钢样用混合酸(含耳刑 03、屿捣和H3叨4)溶解，再用过硫酸铰
((N山)2岛叭)做氧化剂，使溶于酸中的锰氧化成具有特征颜色的高锰酸根(血呀)。为了加
速反应的进行，常加人硝酸银做催化剂，化学反应式为
一
2血(NoO)2+5(N叨)2S,08+8比0梷p2皿仿04+5(皿4)2S04+5H2S04+4f刑Q
钢样溶解后产生的旺(NQ)3为黄褐色，会干扰比色的迸行，混合酸中的吨叨4可与Fe(NO3)3形成无色的配合物，因此吨皿。在此反应中是作干扰物质此3·的掩蔽剂
Fe(NOq)3(黄褐色)+2吨叨4 吨「Fe(胁4)，」(无色)+3ImO3
溶液呈现不同颜色是由于物质对光具有选择性吸收所造成的，高锰酸根溶液对绿色光有强烈的吸收，因此高锰酸根溶液呈现出绿光的互补色紫红色。由于有色物质具有选择吸收光的特性，故吸光光度分析都是选择被测溶液吸收最大的单色光所相应的波长来进行分析，这样能因溶液浓度的微小变化而引起吸光度的较大变化，即比色分析的灵敏度较高。分析高锰酸根溶液可以选择530m的单色光。
4·实验仪器
本实验使用791型(或722型)分光光度计进行分析，该仪器在可见光范围(420-700nm)工作。分光光度计的原理和使用方法见附录2·3。
三、实验内容
1·标准系列溶液的配制
将所用的比色管、容量瓶、滴定管及烧杯用自来水洗净后，再用少量蒸馏水冲洗。从共用滴定管中取5·叨mi标准高锰酸钾溶液(浓度以标签所示)直接放入1Ooml容量瓶中，加水稀释至刻度，盖上瓶塞混合均匀。
将上述配制的溶液注人洗净的滴定管中，然后从滴定管申分别取5·00讨、10·叨ml、15·mmi、幻·nnml 和幼·叨讨溶液分别放人5个比色管中，加水稀释至刻度，混合均匀。此时5个比色管内的50·mmi溶液中含锰量分别为0·幼呜、0·50吗、0·75mg、1·OOmg、1·25衅。
2·待测试样的配制
取一洗净的小烧杯(用滤纸擦干)，用分析天平准确称取0·1200·0·14009钢样，加人15讨混合酸(用量筒量取，无须准确，为什么?)，于电炉上缓慢加热，至钢样全部溶解。取下，稍冷，再加人lnmi蒸馏水，加人5mlw(A圳03)=1的A四仰,溶液和15mlW((M4)2岛Q)吕15的(N山)2$08溶液，再加热煮沸至转变为紫红色，继续煮沸1，2n心，取下，用冷水冷却。然后将小烧杯中的溶液全部移人5Oml比色管中(怎样才能使溶液转人比色管时没有损失)，加蒸馏水至刻度，摇匀。
3·目视比色
将待测试液与标准系列进行比较，找出它与标准系列中哪一比色管的颜色深浅相近，从而确定出锰的含量。若待测溶液的颜色介于标准系列申的两个比色管之间，则锰的含量就处在这二者之间，大致估计一下锰含量的范围。
4·空白液的配制
在分光光度分析中，常利用空白液调节仪器的光密度零点，消除待测试样溶液中其它有色物质的干扰，抵消比色皿和试剂对人射光的影响等。倒取5ml左右的待测试样于小烧杯中，加1-2滴lml·L"l吨靶。溶液，再逐滴加W(N矾Q)二1的N刑o,溶液。直至溶液的紫红色刚好褪去即得空白液。
5·吸光度的测定
利用722型分光光度计，在波长为53Onm时，用lCm比色皿以空白液作对照进行测量。在使用7972型分光光度计之前，请详细阅读附录2·3。
首先以蒸馏水为空白液测定标准系列的吸光度，作出吸光度与浓度的标准曲线，然后以待测试样配制的空白液作参比测定待测液的吸光度值，再从标准曲线上查出相应的浓度，即得被测钢样中锰的含量。
6·数据处理
钢样中锰的质量分数可通过下式计算
w(血)兰(血量/钢样重)x100
实验数据可以用计算机进行处理，启动相应的计算程序，将5个标准溶液的浓度及相应的吸光度输人到计算机中，再把待测试样的吸光度值输人到计算机中，计算机即可绘制出曲线，给出实验数据的偏差情况，并计算出钢样中锰的质量分数。
建议同学自己编制数据处理软件，有关线性回归的源程序代码(C语言m列在附录3·2中，供编程者参考。
四、思考题
(1)什么叫吸光光度分析法?其基本原理是什么?
(2)为什么要配制标准溶液，并测定其吸光度?m何配制标准系列溶液?
(3)如何把钢样变成有色溶液?(N叨 )2邑08、铡Q和山嘲各起什么作用?(4)使用比色皿时应注意什
么?