Способ определения гидроксильных групп в двуокиси кремния

 

СПОСОБ ОПРЁДНШЩ / ГВДРОКСИЛЬНЫХ ГРУПП В ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ по оптической плотности в области 36803700 см, отличающийся тем, что, с целью обеспечения анализа порошкообразной двуокиси кремния , исходный образец предварительно вьщерживают в кварцевой оптической кювете при 350-400°С в течение 2030 мин, охалждают, добавляют четыреххлористый углерод и для получения суспензии центрифугируют со скоростью 2500-4000 об. мин. в течение 1015 мин. ш

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСРУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЪЙ (21) 3496225/23-26 (22) 01. 10.82 (46) 23. 06. 84. Бюл. Ф 23 (72) А.В. Киселев, В.И. Лыгин, К.Л. Ц1епалин, Ю.И. Байков и С.С. Дьяконов (53) 543.062(088,8) (56) 1. Кремний, двуокись аморфная нормализованная гранулированная марки ОСЧ 14-4. ТУ 6 09 5016-82.

2. Hetherington Е., Jack К., Water

in vitreous silica. Part 1. Lrifluence

of Water coutent ou the properties of

vitreous silica. — Physics and Chemi-!

stry of Glasses, 1962, ч. 3, UIII,, No 4, р. 129.

ОЮ ИИ

3 G 01 N 1/28; С 01 Н 21 59 .. (54) (57) СПОСОБ ОПРВДЕПЕЦ ГИДРОКСИЛЬНЫХ ГРУПП В ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ по оптической плотности в области 36803700 см, отличающийся тем, что, с целью обеспечения анализа порошкообразной двуокиси кремния, исходный образец предварительно выдерживают в кварцевой оптической кювете при 350-400 С в течение 2030 мин, охалждают, добавляют четыреххлористый углерод и для получения суспензии центрифугируют со скоростью

2500-4000 об. мин. в течение 1015 мин.

1 109

Изобретение относится к аналитической химии, а именно спектрофотометрическим способам rpynn a порошкообразной двуокиси кремния, используемой в качестве сырья при получении особо чистого безгидрокснльного кварцевого стекла для волоконной оптики.

Известен гравиметрический способ определения объемных гидроксильных групп в порошкообразной двуокиси !О кремния по уменьшению массы образца при прокаливании от 1100 до 1300 С. . нализируетсФ около 70 г растертой и просеянной двуокиси кремния, помещенной в платиновые чашки. Взвешивание производится до и после прокалки образцов (1) .

Однако при расчете количества уда. лившихся гидроксильных групп приблизительно учитываются потери веса, щ связанные с удалением углерода из образца и угаром платины из чашек, в которых ведется прокаливание, что является дополнительным источником погрешностей. 25

Кроме того, выделение из образца при прокаливании различных газов заметно уменьшает точность известного способа..

Считают, что выдержка образца при ©

1300 С в течение четырех часов приво0 дит к полному дегидрированию образца, однако даже при плавании, двуокиси кремния при 1750 С не происходит полного о удаления объемных гидроксильных групп

Определить содержание оставшихся гид5 роксильных групп данным способом не представляется возможным. Чувствительность данного метода 0,04 мас, . Ошибка определения составляет 1Х. Этот метод является длительным (общее вре мя анализа составляет 12 ч), требует высокотемпературной аппаратуры. Кроме того, метод предусматривает использование дорогостоящих платиновых чашек.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ спектрофотометрического определения гидроксильных групп в объеме кварцевого

50 стекла измерением оптической плотности полось 3680-3700 см в инфракрасной области. Чувтствительность метода

2 10 мас.X. Относительная ошибка составляет 15-207. PJ.

Существенным ограничением известного метода является сложность подго" товки образца для исследования. Для

9226 анализа используются плоскопараллельнше полированные пластины кварцевых

I стекол толщиной 1-10 мм. Известный метод не позволяет анализировать порошкообразные образцы, Основной сложностью применения метода ИК-спектроскопии для анализа гидроксильных групп в порошкообразной двуокиси кремния является сильное рассеяние ИК-радиации порошком.

Порошок двуокиси кремния в количестве, необходимом для проведения анализа, практически непрозрачен в

ИК-области — пропускает всего 2-3Х

ИК"радиации.

Целью изобретения является обеспечение анализа порошкообразных образцов двуокиси кремния.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу спектрофотометрического определения гидроксильных групп в двуокиси кремния, включающему выдерживание образцов в кварцевой оптической кювете при 350-400 С в течение 20-30 мин, охлаждение, добавление четыреххлористого углерода цент. рифугированием со скоростью 250014000 об/мин в течение 10-15 .мин и фотометрирование суспензии в области

3680-3700 см

При анализе гидроксильных групп в порошкообраэной двуокиси кремния методом ИК-спектроскопии необходимо регистрировать спектр образца толщиной в несколько миллиметров. Величину рассеянного порошком света удается свести к минимуму, если пригото вить суспензию порошка исследуемого вещества в среде, имеющей наиболее близкий к нему показатель преломления. Прозрачную в ИК-области суспензию порошкаобразной двуокиси кремния такой толщины удается получить при использовании в качестве иммерсионной среды четыреххлористого углерода (й = 1,4631).

Для применения иммерсионной методики с целью получения количественных данных по содержанию объемных гидроксильных групп в порошке двуокиси кремния используют кварцевую кювету с плоскопараллельными оптическими окошками из безгидроксильного кварцевого стекла. Геометрические размеры оптической части кюветы были измерены с точностью до 0,01 мм. Длина оптического пути в кювете составляла 1-2 мм.

Такая кювета позволяла прогревать

1099226

3 образец в кювете при 350-400 С, гоо товить суспензию SiOg в ССС<, центрифугировать суспенэию и снимать спектр в области выше 2500 см . Толщина слоя суспензии при съеме ИК-спектра было 5 точно определена и равняется оптическому пути кюветы.

Основное требование к четыреххлористому углероду - отсутствие влаги, что контролируется методом ИК-спек" троскопии в кювете толщиной 10 мм.

Соблюдение условий центрифугирования приводит к получению однород. ного слоя двуокиси кремния с четко . выраженной границей раздела фаз. При этом в образующейся суспензии отношение веса образца к объему суспензии составляет 0,7-1,4 r/см . Соблюдение этих условий (обработки образца перед съемкой спектра) уменьшает 20 ошибку определения содержания объемных гидроксильных групп.

Расчет содержания объемных гидроксильных групп в двуокиси кремния.

Концентрация объемных гидроксиль« ных групп в двуокиси кремния (мас.Х) рассчитывается по формуле ) он

Сон .р.

30 где D =

= 1g 3ОИ„„О„- оптическая плотность полосы поглощения объемных гидроксильных групп Зб80З5

3700 см в максимуме, И „ — мольный эквивалент гидроксильных групп (17 г), Š— коэффициент экстинкции полосы 3680-3700 см

40 равный 77,5 л см моль — толщина слоя адсорбента, равная толщине кюветы,см, — кажущаяся плотность об45 разца в суспензии, (от,ношение веса образца к объему суспензии), г/см .

Вес образца определяют по разности веса кюветы с образцом и пустой кюветы..Объем суспензии находят, измеряя высоту слоя суспензии после центрифугирования в сантиметрах. Ширина и толщина слоя суспензии известны, так как кювета предварительно калибруется.

Для сравнения с результатами гравиметрического анализа (по потере веса образца при прокаливании) концентрично гидроксильных групп можно пересчитать в концентрацию воды, которая выделилась бы при IloJIBoM дегидроксилировании образца. Из формулы (1) при учете значений М „ и Е получают

С „(мас. l, l =5,04 <0

-3 где В =

= 1g3 (3 „- толщина кюветы, см-, d — кажущаяся плотность суспензии, г/см.

Ошибка определения содержания гидроксильных групп в порошке двуокиси кремния составляет 15-20Х. Предел чувствительности определения составляет 2 х 10 мас.%. Время анализа два часа.

Пример 1. Определение содержания гидроксильных групп в порошке, полученном размолом кварцевого стекла.

В агатовой ступке тщательно растирают около 1 r порошка, полученного размолом кварцевого стекла, и часть его помещают в кварцевую кювету, толщиной 1, 1 мм (образец должен заполнять оптическую часть кюветы). Далее определяют точный вес образца в кювете. Он составляет 0,335 г. Образец прогревают при 400 С в течение 20 мин, кювету закрывают шлифованной пробкой и охлаждают до комнатной температуры.

После этого открывают кювету, заливают образец 1,5 мл СС 4 и .вновь закрывают кювету. Суспенэию в кювете центрифугируют в течение 10 мин со скоростью 4000 об/мин. Находят объем суспензии. Он равен 0,25 си . Затем

3 определяют отношение веса образца к объему суспензии. Оно составляет

1,34 г/см . Далее -записывают ИК-спектр

3 суспеизии в области 3000-4000 см 1 и определяют оптическую плотность в максимуме полосы 3680-3700 см . Она равна 0,275.

Содержание объемных гидроксильных групп в пересчете на воду в порошке, полученном размолом кварцевого стекла, определяют по формуле (2)

-3 0 275

С =5 04х10 --i — — — = 0 009 мас.%

Н,о 0,11 1,34

° э

После трех параллельных опытов ошибка определения составила 11Х.

Пример 2. Определение содержания гидроксильных групп в порошкообразной двуокиси кремния.

1 1

С =5 04x1 0 — — — ---=О, 026 мас.7.

0,20 1,05

После трех параллельных опытов ошибка определения составила 12K .

Пример 3. Определение содержания гидроксильных групп в порошкообразной двуокиси кремния.

Для анализа берется образец двуокиси кремния, прокаленный при

1100 С в течение 7 ч, а затем при

1300 С в течение 4 ч. Определение

25 ,количества объемных гидроксильных групп в термообработанном в таком режиме образце проводится согласно последовательности операций, описанной в примере 1. Время прогрева образца 30

25 мин, температура прогрева образца 25 мин, температура прогрева 375 С.

Время центрифугирования 12 мин, ско.рость.центрифугирования 3300 об/мин.

Известный способ определения содержания гидроксильных групп по потере веса при прокаливании является длительным и не дает достоверных результатов, поскольку не учитывает значительное содержание гидроксильных групп в образце, прокаленном при

1300 С, причем получаемые величины содержания гидроксильных групп в образцах двуокиси кремния лежат на границе чувствительности метода.

Составитель Г. Цой

Техред С.Легеза Корректор Л.Шеньо

Редактор P. Цицика

Заказ 4362/35 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 1099226 6

Для анализа берут образец двуоки- Толщина слоя образца 0 20 см. Вес о

t си кремния, прокаленной при 1100 С образца 0,470 г. Объем суспензии в течение 7 ч. Определение количест- 0,45 см . d = 1,05 г/см . D = 1, 1. ва объемных гидроксильных групп в образце, обрабатанном при 1100 С, . проводится по схеме, описанной в примере 1. Время прогрева образца

30 мин, температура прогрева 350 С.

Время центр ф ремя центрифугирования 15 мин, скоПосле трех параллельных опытов ошибка определения составила. 147.. рость центрифугирования 2500 об/мин..10

Толщина слоя образца 0,20 см.

Таким образом, предлагаемый споВес образца 0,445 r. Объем суспен3 д 2 3 соб спектрофотометрического опредезии 0 62 см . d = 0,72 г/см, D =1 5. ления гидроксильных групп дает возможность определить содержание объемС =5,04х10 - †-=0,52 мас.7.

0,20 0,72 . ных гидроксильных групп в сильнорассеивающей ИК-радиацию порошкообраз.— ной двуокиси кремния, используемой в качестве сырья для получения безгидроксильного кварцевого стекла особой чистоты для оптического стекловарения с высокой чувствительностью (не более 0,002 мас.Х).