Determinazione semiquantitativa del carbonio nell'acciaio

Myttex Forum ha chiuso definitivamente. Non è più possibile inviare messaggi, ma il contenuto è ancora consultabile in questo archivio.

Mario

2013-11-01 19:46

Determinazione semiquantitativa del carbonio nell’acciaio

Premessa:

Come è noto, gli acciai sono leghe di ferro e carbonio contenenti anche altri elementi come cromo, nichel, manganese, tanto per citare i più importanti. Certamente il carbonio è l’elemento più caratterizzante; la sua presenza influenza marcatamente le proprietà meccaniche dell’acciaio e in particolare la sua temprabilità. Si comprende quindi l’importanza della sua determinazione analitica, cosa che viene solitamente eseguita con metodi strumentali, come la combustione in un fornetto ad induzione in eccesso di ossigeno seguita da misurazione gas volumetrica o mediante assorbimento infrarosso della CO2 generata o, più velocemente e con buona precisione, usando la spettrometria ad emissione ottica (OES) con eccitazione a scintilla in flusso di gas inerte.

Misurare il carbonio in un laboratorio casalingo è un’impresa ardua. L’unico metodo abbordabile (si fa per dire) è quello di Corleis, dove l’ossidazione a CO2 avviene grazie all'azione dell’acido cromico a caldo. Poi occorre assorbire la CO2 che si libera con un tubo contenente calce sodata precedentemente pesato. A parte la pericolosità dei reagenti, l’apparecchiatura è piuttosto complessa, i tempi di analisi lunghi e poi è necessaria una bilancia analitica di precisione.

Non c’è dunque alcun’altra possibilità?

Si sa che le disponibilità di molti lettori sono quelle che sono, così un metodo davvero praticabile dovrebbe assommare requisiti talvolta difficilmente conciliabili. Limitato costo sia come reagenti che come attrezzatura, buona reperibilità dei medesimi, uso di prodotti chimici non pericolosi e affidabilità dei risultati sono alcuni dei parametri valutativi imprescindibili. Dopo molti tentativi e altrettanti fallimenti credo di avercela finalmente fatta. Passiamo quindi a descrivere la metodica.

Principio del metodo:

Il campione di acciaio, ridotto in trucioli, viene dissolto in una soluzione salina acida ad eccezione del carbonio che si separa sotto forma di un precipitato nerastro. Quest’ultimo viene disgregato e ridotto in minute particelle mediante l’azione di ultrasuoni e come tale filtrato. L’intensità del colore nero sul filtro risulta proporzionale al contenuto di carbonio e viene quantificata attraverso l’elaborazione digitale della sua immagine.

Reagenti chimici:

- Cloruro di rame e ammonio: questo sale doppio, di formula CuCl2.2NH4Cl.2H2O e n° di CAS 10060-13-6, è in catalogo presso i maggiori produttori ad un prezzo accettabile. Non occorre un reagente grado analitico, basta e avanza quello puro con titolo >98%. Se ne può però anche fare a meno, a patto di avere a disposizione il cloruro di rame diidrato CuCl2.2H2O (la sintesi è descritta nella sezione “i vostri esperimenti”) e quello di ammonio, i quali andranno dosati nelle esatte proporzioni proprie del sale doppio.

Di seguito ecco una foto del sale:

- Acido cloridrico concentrato al 37%. Se non lo si possiede va bene anche quello diluito. L’importante è usarne una quantità corrispondente.

Attrezzatura e vetreria:

Iniziamo con il descrivere l’apparecchiatura più critica, il bagno ad ultrasuoni. Si può impiegare quello normalmente usato per il lavaggio dei gioielli, su ebay ce ne sono vari modelli. Non costano molto e poi serviranno in seguito per pulire oggetti come monete, parti meccaniche, bigiotteria e non. Difficile indicare il modello più idoneo, come al solito la prova sul campo è quella risolutiva, di certo la potenza è un fattore chiave. In alternativa è perfino possibile autocostruirselo utilizzando un trasduttore ceramico piezoelettrico PZT incollato sul fondo di un beker in inox.

- Apparecchiatura filtrante: l’ideale è un imbuto filtrante con setto poroso in vetro sinterizzato per membrane di diametro 47 mm in vetro. Tanto per fare un esempio, andando al sito http://v1.microglass.it/3_GLASS_STUDIO/3main_sistemi_filtranti.htm c’è una sua descrizione (codici 5809/2-3-5). Anche in questo caso possiamo adottare alternative più economiche. Quale che sia la variante, è essenziale che durante la filtrazione il precipitato si distribuisca uniformemente sulla superficie del filtro di carta. Si devono poi aggiungere una beuta codata e una pompa per vuoto a getto d’acqua.

- Carta da filtro adatta per la filtrazione sotto vuoto, grado 390 (filtrazione lenta) e diametro di almeno 60 mm.

- Beuta graduata da 50 mL in vetro borosilicato

- Apparecchio fotografico digitale. Si può affermare che qualsiasi tipo va bene, anche il più economico. Lo fisseremo ad uno stativo e ad una distanza prefissata. L’immagine dovrà essere ripresa in condizioni assolutamente riproducibili, con illuminazione artificiale e settaggio richiamabile dal menù. Possibilmente impostare un formato JPEG fine.

- Software per l’elaborazione immagini. Io ho usato Photoshop CS5, altri programmi potrebbero ugualmente essere adatti, basta che abbiano le funzionalità previste.

- Software per elaborazione dati: il massimo è rappresentato da Minitab 15 perché permette di ottenere direttamente l’equazione della retta di taratura, i valori del coefficiente di determinazione e l’errore standard. Credo che anche Excel possa servire egregiamente allo scopo.

Procedura:

Il campione da analizzare deve essere sotto forma di trucioli. Se ne pesano 0,10 g che vengono introdotti nella beuta. Si aggiungono 2,0 g di cloruro di rame e ammonio, 6 mL di acqua distillata e 10 gocce di HCl concentrato.

Si copre con un vetro d'orologio e si scalda la beuta a bagnomaria a 50°C.

Entro 2 ore la dissoluzione è completa. La presenza del carbonio è evidenziata dal residuo nero sul fondo della beuta.

http://uptiki.altervista.org/viewer.php?file=wdzw9egmecrdtefugwp.jpg

Si diluisce a 50 mL con acqua e si trasferisce la beuta intera nel bagno ad ultrasuoni mantenuto a 50 °C. Lasciare agire gli ultrasuoni per un tempo necessario affinché il residuo nero si disgreghi in particelle finissime.

Filtrare subito il liquido attraverso un filtro di carta posizionato sul setto poroso, lavando più volte con acqua distillata (attenzione a non far giungere il getto direttamente sul filtro!). Lasciare asciugare il filtro dopo averlo appoggiato su di una superficie piana. Quindi fotografarlo come già descritto.

Aprire il file ottenuto con il programma di fotoritocco, e trasformare l'immagine in scala di grigi con la sequenza: ===> image. adjustements, channel mixer, monochrome e infine OK. L'ultimo passaggio è image, mode, grayscale e discarge.

Qui sotto è riportata la serie di ritagli corrispondenti a concentrazioni note e crescenti di C.

http://uptiki.altervista.org/viewer.php?file=ht7xmwbmjx9gyh1szdlp.jpg

Sempre con lo strumento ritaglia, estrarre la porzione quadrata centrale inscritta nel residuo nero circolare, poi applicare il filtro "average" il quale farà la media del colore grigio restituendo una tonalità uniforme.

Ecco il risultato finale:

http://uptiki.altervista.org/viewer.php?file=y179aj2cxoqlb0y3itj5.jpg

Adesso con lo strumento "eyedropper" misurare il valore RGB del colore grigio medio precedentemente elaborato.

Riportare, usando il software statistico, i valori così ottenuti su un grafico assieme alle % di carbonio. Per Minitab la sequenza è ===> Stat, regression, fitted line plot, ok.

http://uptiki.altervista.org/viewer.php?file=iqm3y52jz87tgsiq9tt.jpg

L'uso del grafico è intuitivo. Volendo si può calcolare la % del C applicando la formula allegata.

Come potete notare, la precisione è notevole, permettendo di ottenere valori con un'errore di soli +/- 0,04%.

saluti

Mario

I seguenti utenti ringraziano Mario per questo messaggio: Rusty, fosgene, quimico, Max Fritz, MaXiMo, ale93