Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Алтайский государственный технический университет
им. "
Бийский технологический институт (филиал)
Е. М Попенко, ,
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ АЗОТА
В КОНДЕНСИРОВАННЫХ ПРОДУКТАХ ГОРЕНИЯ
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Методические рекомендации к лабораторной работе по курсу
"Внутренняя баллистика ствольных систем и ракетных двигателей"
для студентов специальностей 240702 "Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив",
160302 "Ракетные двигатели"
Бийск
2005
УДК 543
, , Иванюк содержания азота в конденсированных продуктах горения высокоэнергетических систем: Методические рекомендации к лабораторной работе по курсу "Внутренняя баллистика ствольных систем и ракетных двигателей" для студентов специальностей 240702 "Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив", 160302 "Ракетные двигатели".
Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск.
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2005. – 13 с.
В методических рекомендациях рассматривается способ определения содержания азота в конденсированных продуктах горения высокоэнергетических систем, а также подробно изложена методика проведения лабораторной работы. Рассмотрены меры по технике безопасности.
Рассмотрены и одобрены на
заседании кафедры ХТ ВМС.
Протокол № 5 от 01.01.2001 г.
Рецензент: к. т.н., ведущий научный сотрудник »
ã БТИ АлтГТУ, 2005
Введение
Азот при полном разрушении азотсодержащих органических соединений может выделяться в виде аммиака, окислов азота, дициана
и элементного азота. Образование этих веществ зависит от способа разрушения и от характера связи азота в молекуле. Применяются различные способы разрушения азотсодержащих веществ, основанные как на восстановлении, так и на окислении соединений. Восстановительная деструкция может быть проведена гидрированием, можно также осуществить разрушение вещества, сжигая его горячей серной кислотой. Оба эти способа приводят к образованию аммиака. Однако наряду с ним во многих случаях образуется и элементный азот. Окисление серной кислотой в смеси с сильными окислителями или горячим кислородом в основном ведет к образованию окислов азота, но и здесь сопутствующим является элементный азот. Окисление твердыми окислителями в токе инертного газа приводит в основном к образованию элементного азота, хотя может образоваться и некоторое количество окислов азота и других соединений.
Азот настолько инертен, что количественно окислить или восстановить его невозможно. Значительно проще перевести весь азот, находящийся в соединении, в элементный азот. Именно поэтому метод газометрического определения азота (при котором весь азот соединения переводят в элементный) наиболее универсален.
Обычно применяют два метода определения азота: газометрический микрометод Дюма и его варианты и определение в виде аммиака (микрометод Кьельдаля и его модификации). Метод Дюма основан на определении азота путем сожжения навески в кварцевой трубке за счет кислорода твердых окислителей в атмосфере двуокиси углерода. Продукты сожжения вытесняют током двуокиси углерода в азотометр со щелочью. Окислы азота, проходя через слой восстановителя (обычно нагретой металлической меди), восстанавливаются. В конечном счете, из трубки для сожжения в азотометр должна поступать смесь лишь двух газов – двуокиси углерода и азота. Двуокись углерода поглощается раствором щелочи, а азот собирается в азотометре. Измеряют объем выделившегося азота и рассчитывают содержание его в веществе. Недостатком этого метода является то, что кроме элементного азота могут образоваться различные соединения азота с кислородом, водородом и даже углеродом. Сожжение в атмосфере двуокиси углерода только за счет твердых окислителей значительно труднее провести количественно, чем сожжение в кислороде, а, следовательно, возникает опасность проникновения в азотометр окиси углерода, летучих углеводородов и т. п.
Наиболее простым и удобным методом анализа содержания связанного в виде нитридов азота явился метод отгонки аммиака или метод Кьельдаля. Метод основан на гидролизе нитридов металлов и металлоидов водным раствором гидрооксида натрия или калия, отгонке образующегося аммиака и поглощении его титрованным раствором соляной или серной кислоты.
При горении энергетических конденсированных систем образуются азотсодержащие соединения, которые можно определить методом Кьельдаля.
1 ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ
СВЯЗАННОГО АЗОТА
Цель работы: определить содержание азота в конденсированных продуктах горения твердых ракетных топлив.
Методика проведения анализа состоит из следующих стадий:
– приготовления 0,1Н раствора буры;
– приготовления 0,1Н раствора соляной кислоты;
– приготовления индикатора (метилового красного);
– проверки нормальности кислоты;
– отгонки аммиака.
1.1 Применяемые приборы, приспособления, материалы
1) тетраборат натрия (бура);
2) соляная кислота;
3) индикатор (метиловый красный);
4) навеска образца;
5) дистиллированная вода;
6) колбы.
1.2 Приготовление раствора тетрабората натрия
Сначала рассчитывают величину навески, необходимой для приготовления раствора в мерной колбе емкостью 500 мл. Так как 1моль (381,4 г) Na2B4O7∙10H2O реагирует с 2 моль HCl, т. е. с 2 г-ион водорода, 1 г-экв его равен 381,4/2=190,7 г. Для получения 1л 0,1Н раствора потребуется, следовательно, 19,07 г, а для 500 мл 19,07/2, т. е. 9,5350 г тетрабората натрия.
На аналитических весах помещают вычисленное количество тетрабората натрия в бюкс. Далее осторожно пересыпают тетраборат натрия через сухую воронку в тщательно вымытую мерную колбу. Бюкс с оставшимися в нем крупинками тетрабората натрия снова точно взвешивают и по разности находят массу тетрабората натрия, насыпанного в колбу. Струей горячей воды (в холодной воде тетраборат натрия растворяется плохо) хорошо смывают тетраборат натрия из воронки в колбу. Добавляют еще столько горячей воды в колбу, чтобы она была заполнена на 2/3 объема, вынимают воронку и, перемешивая содержимое колбы плавными круговыми движениями, растворяют тетраборат натрия. После этого раствор охлаждают до комнатной температуры и разбавляют его до метки дистиллированной водой. В конце воду добавляют по каплям до тех пор, пока нижний край мениска не окажется на уровне метки. Приготовленный раствор тщательно перемешивают. Приготовив таким образом раствор тетрабората натрия, вычисляют его нормальность:
,
где 
– масса навески буры, г,
– объем колбы, мл,
Рассчитываем фактор буры (
):
.
1.3 Приготовление раствора соляной кислоты
Один литр 0,1Н раствора соляной кислоты содержит 3,646 г (или округленно 3,6 г) HCl. Сначала вычисляют, в каком объеме концентрированной соляной кислоты (плотность 1,19 г/см3) содержится такое количество HCl. Для расчета пользуются таблицей плотности растворов сильных кислот и щелочей, из которой видно, что концентрация соляной кислоты при плотности 1,19 г/см3 составляет 38% масс. Отсюда можно составить пропорцию:
в 100 г раствора HCl содержится 38 г HCl,
в Х г раствора HCl содержится 3,6 г HCl:
г
Для пересчета найденного весового количества кислоты на её объем (V) нужно вычисленное количество поделить на плотность кислоты. Приблизительно отмерив вычисленный объем концентрированной соляной кислоты, при помощи маленькой мензурки, разбавляют кислоту дистиллированной водой до 1 л в большом мерном цилиндре. Полученный раствор тщательно перемешивают.
1.4 Приготовление индикатора (метилового красного)
Для приготовления индикатора метилового красного используется этиловый спирт с концентрацией 60%, который получают разбавлением 96%-ного этилового спирта водой в соотношении:
10 мл – 96%-ного этилового спирта,
6 мл – дистиллированной воды.
Известно, что для приготовления раствора индикатора на 1000 мл 60%-ного этилового спирта берется 2 г метилового красного, значит, можно составить пропорцию:
2 г индикатора – 1000 мл 60%-ного спирта,
Х г индикатора – 16 мл 60%-ного спирта,
Х= 0,032 г
На аналитических весах взвешивают расчетное количество индикатора. Далее осторожно пересыпают через сухую воронку в сосуд с 16 мл 60%-ного спирта. Приготовленный раствор тщательно перемешивают.
1.5 Проверка нормальности кислоты
Приготовив нужный раствор, приступают к титрованию. Бюретку наполняют почти доверху приготовленным раствором HCl. В чистую коническую колбу переносят пипеткой 25 мл приготовленного раствора тетрабората натрия и прибавляют 1–2 капли раствора метилового красного. После этого устанавливают уровень раствора HCl в бюретке на нуле. Колбу с раствором тетрабората натрия ставят под бюретку на лист белой бумаги и понемногу приливают из бюретки раствор HCl, непрерывно перемешивая жидкость плавным круговым движением колбы. Нужно уловить момент, когда от одной капли соляной кислоты первоначально чисто желтый раствор приобретет чуть розоватый оттенок. Точно уловить этот момент при первом титровании трудно. Поэтому сначала устанавливают нужный объем кислоты приблизительно с точностью до 1 мл. При всех отсчетах необходимо, чтобы уровень глаз наблюдателя был на уровне мениска. При титровании проводят не менее трех параллельных опытов (расхождение в полученных данных не должно превышать 0,1 мл) и находят их среднее значение (
):
,
где 
– объемы соляной кислоты, мл;
3 – количество параллельных опытов.
Все полученные результаты следует обязательно заносить в лабораторный журнал.
Пользуясь правилом, согласно которому произведение величины объема раствора, затрачиваемого на титрование, на его нормальность равно произведению объема на нормальность титруемого раствора, можно записать:
,
где 
– нормальность соляной кислоты;
– объем буры (25 мл);
– нормальность буры;
– среднее значение объема соляной кислоты, затрачива-емого на титрование буры, мл.
Рассчитываем фактор тетрабората натрия (f):
,
где 
– нормальность тетрабората натрия.
1.6 Отгонка аммиака
Отгонка аммиака включает следующие стадии:
– берут навеску продуктов горения ультрадисперсного алюминия на аналитических весах с точностью до 0,0002 г;
– переносят навеску количественно в перегонную колбу;
– наливают в приемник 50 мл титрованного 0,1Н раствора соляной кислоты с 1-2 каплями метилового красного;
– собирают установку, состоящую из перегонной колбы, электроплитки, приемника, обратного холодильника, опущенного в приемник (см. рисунок 1);
– вливают через воронку с зажимом в перегонную колбу 50 мл 20%-ного раствора NaOH;
– включают плитку и упаривают раствор до 1/3 объема;
– отключают плитку;
– тщательно ополаскивают холодильник дистиллированной водой в приемник;
– разбирают установку;
– оттитровывают остаток кислоты раствором буры с известной концентрацией до перехода окраски от красного к желтому цвету.
 |
1– штатив; 2 – приемник; 3 – холодильник; 4 – каплеуловитель;
5 – колба круглодонная; 6 – плитка электрическая
Рисунок 1– Схема установки для отгонки аммиака при
определении содержания связанного азота
2 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
2.1 Каждый студент обязан содержать свое рабочее место в порядке и чистоте, помня, что захламленность рабочего места и подходов к нему нередко приводит к несчастным случаям.
2.2 До начала работы необходимо проверить исправность аппаратуры, приборов, инструмента, проверить работу вентиляции, водопровода.
2.3 Работу с нагреванием веществ, выделяющих вредные пары
и газы, разрешается проводить только в вытяжном шкафу, передняя стенка шкафа поднимается на высоту, удобную для работы, но не более чем на одну треть.
2.4 При сборке стеклянных приборов, соединении отдельных частей их с помощью резиновых трубок, а также при надевании последних на стеклянные трубки и при других работах со стеклом необходимо защищать руки полотенцем. Для облегчения сборки концы стеклянных трубок должны оплавляться и смачиваться водой или смазываться вазелином, глицерином.
2.5 При переноске сосудов с горячей жидкостью следует применять полотенце или другие материалы, сосуд при этом следует держать обеими руками: одной за дно, а другой за горловину.
2.6 При работе с агрессивными веществами на каждом работающем должны быть халат, нарукавники, головной убор, щиток из оргстекла (или очки) и резиновые перчатки.
2.7 При химическом ожоге глаз кислотой или щелочью необходимо до обращения в медпункт немедленно промыть большим количеством воды.
2.8 Одежда, облитая концентрированной кислотой, щелочами обязательно нейтрализуется (для нейтрализации кислот применяют 3–5%-ный раствор пищевой соды, а щелочей – 2%-ный раствор борной кислоты или 5%-ный раствор уксусной кислоты), обезвреживается
и подвергается стирке. Надевать загрязненную одежду запрещается.
2.9 Загрязненные или отработанные кислоты или щелочи нельзя сливать в канализацию, так как они вызывают коррозию труб.
2.10 Обо всех неисправностях оборудования ставьте в известность руководителя работы, преподавателя, лаборанта.
3 ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Лабораторная работа №
Опыты проведены………………………………………….200_г.
Группа №………………..студент…………………….…………
Наименование работы …………………………………………..
Цель работы………………………………………………………
Расчет количества связанного азота производится по формуле:
,
где ω (N) – содержание связанного азота, %;
Vk – объем кислоты, взятый для поглощения аммиака, мл;
fk – поправка к титру 0,1Н раствора НСl;
Vб – объем щелочи, израсходованный на титрование остаточной кислоты, мл;
fб – поправка к титру 0,1Н раствора КОН;
m – масса навески исходного вещества, г.
Все результаты заносят в таблицу:
Обозначение |
|
|
|
|
(N1), %Литература
1. Климова, микрометода анализа органических соединений / . – М.: Химия, 1975. – 224 с.
2. Бобранский, анализ органических соединений / . – М.: Химия, 1961. – 270 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………3
1 Химический анализ содержания связанного азота…………………….4
1.1 Применяемые приборы, приспособления, материалы…………….4
1.2 Приготовление раствора тетрабората натрия ……………………..4
1.3 Приготовление раствора соляной кислоты………………………...5
1.4 Приготовление индикатора (метилового красного).………………6
1.5 Проверка нормальности кислоты………...…………………………6
1.6 Отгонка аммиака……………………………………………………..7
2 Техника безопасности…………………………………………………...8
3 Оформление отчета……………………………………………………..10
Литература………………………………………………………………...11
ПОПЕНКО ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА
ШАМИНА ЮЛИЯ ЮРЬЕВНА
ИВАНЮК МАРИНА ВАСИЛЬЕВНА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ АЗОТА
В КОНДЕНСИРОВАННЫХ ПРОДУКТАХ
ГОРЕНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
Методические рекомендации к лабораторной работе по курсу "Внутренняя баллистика ствольных систем и ракетных двигателей" для студентов специальностей 240702 "Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив", 160302 "Ракетные двигатели"
Редактор
Корректор
Технический редактор
Подписано в печать 24.02.05. Формат 60х84 1/16.
Усл. п. л 0,75. Уч.-изд. л. 0.81.
Печать – ризография, множительно-копировальный аппарат «RISO TR-1510»
Тираж 50 экз. Заказ 2005-21.
Издательство Алтайского государственного
технического университета,
г. Барна.
Оригинал-макет подготовлен ВЦ БТИ АлтГТУ.
Отпечатано в ВЦ БТИ АлтГТУ.
9
