Способ определения концентрации уксусной кислоты

Изобретение относится к области химии, в частности к определению концентрации уксусной кислоты в широком диапазоне температур.

Известен способ определения концентрации уксусной кислоты методом титрования /ТУ 9182-022-0334586-03. Кислота уксусная пищевая, г.Москва, с.16/.

Способ заключается в следующем.

Берут навеску анализируемого раствора, разбавляют водой. Далее проводят титрование раствором гидроксида натрия с индикатором фенолфталеином до перехода окраски из бесцветной в малиновую. Затем поводят расчет массовой доли уксусной кислоты в% /X₁/ по формуле

X₁=(V*0,6005*100):m-1,3 X₂,

где V - объем раствора гидроксида натрия концентрации точно 1 моль/дм³, израсходованный на титрование, см³,

m - навеска анализируемого раствора, г,

Х₂ - массовая доля муравьиной кислоты, %.

Недостатками способа являются:

- наличие сложного оборудования,

- сложность приготовления титрованного раствора гидроксида натрия,

- использование гидроксида натрия только квалификации «хч»,

- сложность методики определения массовой доли муравьиной кислоты.

Известен также способ определения концентрации уксусной кислоты, взятый в качестве прототипа /ТУ 9182-022-00334586-03. Кислота уксусная пищевая, г.Москва, с.16-18, с.24-25/.

Способ заключается в следующем.

Берут навеску 200 г анализируемого раствора концентрации 70%; 80% и разбавляют таким же количеством воды. Доводят температуру до 20°С и переливают раствор в цилиндр. Определяют температуру раствора, далее ареометром определяют плотность и снова измеряют температуру раствора. Затем берут среднее арифметическое значение температуры до и после измерения плотности. По известной зависимости плотности от концентрации при 20°С (Справочник химика, т. Ш, с.577-578; М. - Л., 1964 г.) определяют концентрацию раствора, удваивают и получают исходную концентрацию.

Недостатками способа являются:

- невозможность определения концентрации уксусной кислоты при температурах, отличающихся от 20°С;

- низкая точность определения концентрации, так как точность доведения температуры до 20°С составляет около 1°С,

- длительное время анализа из-за взятия навески и доведения температуры разбавленного раствора до 20°С;

- изменение структуры полимерного раствора при разбавлении водой, что также влияет на точность определения концентрации.

Задачей изобретения является повышение точности при определении концентрации уксусной кислоты в диапазоне от 0 до 100% в диапазоне температур от 0 до 40°С.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения концентрации уксусной кислоты, включающем определение плотности раствора и установление соответствующей ей концентрации, согласно изобретению, определяют зависимость плотности от концентрации и температуры через 1°С в диапазоне от 0 до 40°С методом линейной интерполяции по известной зависимости плотности от концентрации в диапазоне от 0 до 100 мас.% и температуры от 0 до 40°С через 5; 10°С, после гомогенизации раствора определяют температуру раствора уксусной кислоты в напорной емкости с точностью до 0,1°С и плотность, при целых значениях температуры находят два значения плотности, наиболее близкие к экспериментальному, и два значения концентрации, им соответствующие, определяют первую производную от концентрации по плотности и если |dc/dp|≤3,3·10³, то концентрацию уксусной кислоты определяют методом линейной интерполяции по зависимости плотности от концентрации при температуре опыта с точностью до 0,1% а, если |dc/dp|>3,3·10³, в напорную емкость вводят воду в таком количестве, чтобы попасть в зону |dc/dp|≤3,3·10³ для определения концентрации уксусной кислоты после разбавления и расчета исходной концентрации, исходя из количества добавленной воды; в случае нецелых значений температуры производят следующие действия: для наиболее близкого к экспериментальному целого значения температуры находят два соседние значения плотности, наиболее близкие к экспериментальному, и соответствующие им значения концентрации, по зависимости плотности от температуры для двух значений концентрации находят два значения плотности при температуре эксперимента и определяют первую производную от концентрации по плотности, а далее операции повторяют как для целого значения температуры.

Такой способ позволяет выявить зону концентраций /60-85%/, в которой зависимость плотности от температуры является практически линейной, что позволяет определить концентрацию с высокой точностью.

На фиг.1 приведены зависимости плотности водных растворов уксусной кислоты от концентрации для температур 0, 20, 30°С.

На фиг.2 приведена концентрационная зависимость первой производной от концентрации по плотности при 20°С: dc/dp=f(C).

На фиг.3 приведена концентрационная зависимость абсолютной величины первой производной от плотности по температуре |dp/dT|=f(C).

Способ осуществляют следующим образом.

Определяют зависимость плотности от концентрации и температуры через 1°С в диапазоне температур от 0 до 40°С методом линейной интерполяции по известной зависимости плотности раствора от концентрации в диапазоне от 0 до 100% через 1% и от температуры в диапазоне от 0 до 40°С через 5; 10°С.

Во всем диапазоне температур зависимости плотности от концентрации проходят через максимум при концентрациях 76-83% (фиг.1). Это означает, что первая производная от плотности по концентрации обращается в 0 и для определения концентрации требуется введение воды. Для упрощения приведены следующие фрагменты таблицы:

- таблица 1.1 для концентрации 5-7% и температур 10-30°С;

- таблица 1.2 для концентрации 68-70% и температур 0-22°С;

- таблица 1.3 для концентрации 79-81% и температур 0-22°С;

- таблица 1.4 для концентрации 92-94% и температур 10-30°С.

Далее осуществление способа рассмотрено на примерах при различных плотностях и температурах.

Пример 1.

В напорной емкости вместимостью 5 м³, содержащей 4700 дм³ водного раствора уксусной кислоты, гомогенизируют его путем циркуляции по контуру: напорная емкость - насос, непосредственно в емкости определяют температуру раствора 19,0°С и в отобранной пробе определяют плотность с помощью ареометра 1,0690. Затем по полученной зависимости плотности от концентрации и температуры (табл.1.2) находят при температуре 19°С два значения плотности, наиболее близкие к экспериментальному 1,06874 и 1,06914, и два значения концентрации, им соответствующие 68 и 69%. Рассчитывают значение первой производной от концентрации по плотности dc/dp:

dc/dp=(69-68):(1,06914-1,06874)=2,5·10³

Первая производная от концентрации по плотности менее 3,3·10³. Из фиг.2 следует, что при ее значении <3,3·10³ возможно определение концентрации, а если |dc/dp|>3,3·10³, то производная быстро возрастает, стремясь к бесконечности, что не позволяет определить концентрацию.

Методом линейной интерполяции из зависимости концентрации от плотности при Т=19°С, используя найденное значение dc/dp, находят концентрацию:

с=68+2,5·10³·(1,0690-1,06874)=68,65˜68,6%.

Пример 2.

В напорной емкости гомогенизируют 4800 дм³ раствора уксусной кислоты. Непосредственно в емкости определяют температуру 15,7°С, в отобранной пробе определяют плотность с помощью ареометра 1,0725. По табл.1.2 находят два значения плотности, наиболее близкие к экспериментальному при целом значении температуры 16°С: 1,07196 и 1,07226, и два значения концентрации, им соответствующие: 69 и 70%. Методом линейной интерполяции из зависимости плотности от температуры для двух концентраций, используя значения производных dp/dT, приведенные в табл.1.2, рассчитывают плотности при нецелом значении температуры:

69%: р=1,07196+/-0,00094/*/15,7-16/=1,07224

70%: р=1,07226+/-0,00094/*/15,7-16/=1,07254.

Рассчитывают значение первой производной от концентрации по плотности при температуре 15,7°С:

dc/dp=(70-69):(1,07254-1,07224)=3,3·10³.

dc/dp=3,3·10³. Концентрацию рассчитывают методом линейной интерполяции из зависимости концентрации от плотности при температуре 15,7°С:

с=69+3,3·10³/1,0725-1,07224/=69,89˜69,9%.

Из фиг.3 следует, что абсолютная величина производной от плотности по температуре |dp/dT| нелинейно возрастает с ростом концентрации, достигая предельного значения при с >90%. На фиг.3 приведены также абсолютные ошибки в определении этой производной с 95%-ной доверительной вероятностью. В диапазоне концентраций 60-80% относительные ошибки не превышают 1,9%.

Пример 3.

В напорной емкости после гомогенизации получают 4350 дм³ раствора уксусной кислоты. Определяют температуру непосредственно в напорной емкости 12,2°С, в отобранной пробе определяют плотность 1,0725. По табл.1.3 находят два значения плотности, наиболее близкие к экспериментальному при целом значении температуры 12°С: 1,07776 и 1,07762, и два значения концентрации, им соответствующие 80 и 81%. Аналогично примеру 2 методом линейной интерполяции рассчитывают два значения плотности для нецелого значения температуры и двух концентраций:

80%: р=1,07756

81%: р=1,07741.

Рассчитывают значение первой производной от концентрации по плотности при температуре опыта:

dc/dp=(81-80):(1,07741-1,07756)=-6,6·10³; |dc/dp|>3,3·10³.

В напорную емкость вводят 660 дм³ воды, гомогенизируют раствор, определяют температуру 13,2°С, плотность 1,0748. По зависимости плотности от концентрации и температуры /табл.1.2/ находят два значения плотности при температуре 13°С, наиболее близкие к экспериментальному 1,07474 и 1,07508, и два значения концентрации, им соответствующие 69 и 70%. Аналогично примеру 2 находят два значения плотности при температуре опыта: 13,2°С:

69%: р=1,07456

70%: р=1,07490.

Рассчитывают значение dc/dp при 13,2°С:

dc/dp=(70-69):(1,07490-1,07456)=2,9·10³:|dc/dp|<3,3·10³.

Методом линейной интерполяции из зависимости концентрации от плотности определяют концентрацию:

с=69+2,92·10³/1,0748-1,07456/=69,71˜69,7%.

Затем рассчитывают концентрацию до введения воды. Она составляет 79,5%.

Пример 4.

В напорной емкости вместимостью 1000 дм³ готовят 970 кг раствора столового уксуса. Непосредственно в емкости определяют температуру 21,3°С, в отобранной пробе определяют плотность 1,0062.

По табл.1.1. при наиболее близком целом значении температуры 21°С находят два значения плотности, наиболее близкие к экспериментальному 1,00522 и 1,00662, и соответствующие им два значения концентрации 5 и 6%.

Методом линейной интерполяции из зависимости плотности от температуры рассчитывают два значения плотности для нецелого значения температуры и двух концентраций:

5%: р=1,00522+/-0,00028/*(21,3-21)=1,00514

6%: р=1,00622+/-0,00028/*(21,3-21)=1,00654

Далее рассчитывают значение первой производной от концентрации по плотности при нецелом значении температуры:

dc/dp=(6-5):(1,00654-1,00514)=714; |dc/dp|<3.3·10³.

Методом линейной интерполяции из зависимости концентрации от плотности рассчитывают концентрацию:

с=5+714/1,0062-1,00513/=5,76˜5,8%.

Пример 5.

В железнодорожную цистерну вместимостью 73 м³, содержащую 66,6 т концентрированной уксусной кислоты, подают воду, затем раствор гомогенизируют, определяют температуру 15,0°С и плотность 1,0683.

По табл. 1.4 находят два значения плотности, наиболее близкие к экспериментально найденному при температуре 15,0°С: 1,0690 и 1,0680, и два значения концентрации, им соответствующие 92 и 93%. Рассчитывают значение первой производной от концентрации по плотности:

dc/dp=(93-92):(1,0680-1,0690)=-1,0·10³; [dc/dp]<3,3·10³.

Рассчитывают концентрацию из зависимости концентрации от плотности при 15,0°С методом линейной интерполяции:

с=92+/-1.0·10³/1,0680-1,0690/=92,7%.

Такой способ позволяет определять с высокой точностью любую концентрацию уксусной кислоты в широком диапазоне температур.

Способ определения концентрации уксусной кислоты, включающий определение плотности раствора и установление соответствующей ей концентрации, отличающийся тем, что определяют зависимость плотности раствора от концентрации и температуры через 1°С в диапазоне от 0 до 40°С методом линейной интерполяции по известной зависимости плотности раствора от концентрации в диапазоне от 0 до 100 мас.% и температуры от 0 до 40°С, после гомогенизации раствора определяют температуру раствора уксусной кислоты в напорной емкости с точностью до 0,1°С и плотность, при целых значениях температуры находят по полученной зависимости два значения плотности, наиболее близкие к экспериментальному, и два значения концентрации, им соответствующие, определяют первую производную от концентрации по плотности и, если концентрацию уксусной кислоты определяют методом линейной интерполяции по полученной зависимости концентрации от плотности с точностью до 0,1%, а если то в напорную емкость вводят воду в таком количестве, чтобы попасть в зону для определения концентрации уксусной кислоты после разбавления и расчета исходной концентрации, исходя из количества добавленной воды; в случае нецелых значений температуры производят следующие действия: для наиболее близкого к экспериментальному целого значения температуры находят два значения плотности, наиболее близкие к экспериментальному, и соответствующие им два значения концентрации, по полученной зависимости плотности от температуры для двух значений концентрации находят два значения плотности при температуре эксперимента и определяют первую производную от концентрации по плотности, а далее операции повторяют как для целого значения температуры.