硅酸盐水泥中SiO2,Fe2O3,Al2O3 含量的测定

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1、 硅酸盐水泥中SiO2，Fe2O3，Al2O3含量的测定 实 验 报 告 班级：应111-1 一、实验目的1、了解和尝试过滤、洗涤、碳化、灰化、灼烧等操作。2、掌握加热蒸发、水浴加热。3、掌握氯化铵重量法测定水泥中SiO2含量的原理和方法。4、学习配位滴定法测定水泥中Fe2O3、Al2O3等含量的原理和方法。5、掌握CaCO3和EDTA标准溶液的配制、标定的原理和方法。6、掌握化学实验常用的滴定操作，明白酸碱标准溶液的配制以及标定方法原理， 熟练掌握方法和操作。二、实验原理 硅酸盐水泥熟料主要由氧化钙（CaO） 、二氧化硅（SiO2） 、氧化铝（Al2O3） 和氧化铁（Fe2O3简写为 F）四

2、种氧化物组成。通常这四种氧化物总量在熟料中占95以上。每种氧化物含量虽然不是固定不变，但其含量变化范围很小，水泥熟料中除了上述四种主要氧化物以外，还有含量不到5的其他少量氧化物，如氧化镁(MgO)、氧化钛(Ti02)、三氧化硫(S03)等。 水泥熟料中碱性氧化物占60%以上，因此宜采用酸分解。水泥熟料主要为硅酸三钙（3CaOSiO2） 、硅酸二钙（2CaOSiO2） 、铝酸三钙（3CaOAl2O3）和铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3）等化合物的混合物。这些化合物与盐酸作用时，生成硅酸和可溶性的氯化物，反应式如下： 2CaOSiO2+4HCl2CaCl2+H2SiO3+H2O3CaOSi

3、O2+6HCl3CaCl2+H2SiO3+2H2O3CaOAl2O3+12HCl3CaCl2+2AlCl3+6H2O4CaOAl2O3Fe2O3+20HCl4CaCl2+2AlCl3+2FeCl3+10H2O硅酸是一种很弱的无机酸，在水溶液中绝大部分以溶胶状态存在，其化学式以SiO2nH2O表示。在用浓酸和加热蒸干等方法处理后，能使绝大部分硅胶脱水成水凝胶析出，因此可利用沉淀分离的方法把硅酸与水泥中的铁、铝、钙、镁等 其他组分分开。（一） SiO2含量的测定-重量法 本实验以重量法测定SiO2的含量。（SiO2的测定可分成容量法和重量法。） 在水泥经酸分解后的溶液中，采用加热蒸发近干和加固体氯

4、化铵两种措施，使水溶性胶状硅酸尽可能全部脱水析出。蒸干脱水是将溶液控制在100左右下进行。由于HCl的蒸发，硅酸中所含的水分大部分被带走，硅酸水溶胶即成为水凝胶析出。由于溶液中的 Fe3+、Al3+等离子在温度超过110时易水解生成难溶性的碱式盐而混在硅酸凝胶中，这样将使 SiO2的结果偏高，而 Fe2O3，Al2O3等的结果偏低，故加热蒸干宜采用水浴以严格控制温度。加入固体氯化铵后由于氯化铵易离解生成 NH3H2O 和 HCl，加热时它们易于挥发逸去，从而消耗了水，因此能促进硅酸水溶胶的脱水作用，反应式如下： NH4Cl+H2ONH3.H2O+HCl 含水硅酸的组成不固定，故沉淀经过过滤、洗

5、涤、烘干后，还需经950-1000高温灼烧成固体成分SiO2，然后称量，根据沉淀的质量计算 SiO2的质量分数。 水泥中的铁、铝、钙、镁等组分分别以Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+的形式存在于过滤完SiO2沉淀后的滤液中，它们都能与EDTA形成稳定的螯合物，但稳定性有较显著的区别，KAlY=1016.3，KFe（III）Y=1025.1 ，KCaY=1010.69 ，KMgY=108.7。因此只要通过控制适当的酸度，就可以进行分别测定。（二）铁含量的测定铁含量的测定方法： 控制溶液的pH为22.5，以磺基水杨酸为指示剂，温度以6070为宜，当温度高于75时，Al3+也能与EDTA形成螯合

6、物，使测定Fe3+结果偏高，测定Al3+结果偏低。当温度低于50时，反应速度缓慢，不易得出确定终点。用EDTA标准溶液滴定，溶液由紫红色变为微黄色即为终点。配位滴定中有H+产生，Fe3+H2Y2-=FeY-+2H+,所以在没有缓冲作用的溶液中，当Fe3+含量较高时，滴定过程中，溶液的pH逐渐降低，妨碍反应进一步完成，以致终点变色缓慢，难以确定。（三）铝含量的测定 以PAN为指示剂的铜盐回滴定是普遍采用的方法。因为Al3+与EDTA的反应速度慢，所以一般先加入过量的EDTA，并加热煮沸，使Al3+与EDTA充分反应，然后用CuSO4标准溶液回滴定过量的EDTA。AlY2-无色，PAN 在pH为4

7、.3的条件下为黄色，所以滴定开始前溶液为黄色，随着CuSO4标准溶液的加入，CuY2-为浅蓝色，因此溶液逐渐由黄色变绿色，在过量的EDTA与Cu2+完全反应后，继续加入CuSO4，Cu2+与PAN形成紫红色配合物，由于蓝色CuY2-的存在，终点溶液呈紫色。反应如下： Al3+ H2Y2-= AlY-+2H+， 无色 Cu2+ H2Y2-=CuY2-+2H+，蓝色 Cu2+PAN= Cu-PAN 黄色 紫红色1、测定Al3+的适宜酸度pH=45，最适宜的pH4.32、PAN：一种二元弱酸，用H2In+表示（PKa1=2.9,PKa2=11.95）H2In+-HIn-In-淡绿色 黄色 红色（2.

8、5） （2.512） （12）PAN能与50多种元素生成有色螯合物，除Pd(II)、Co(III)、Rh(III)为绿色，Fe(III)为暗红色，V(v)、Tl为紫色，其他金属的螯合物均是红色。3、EDTA溶液浓度的标定：在pH=3.5的HAc-NaAc介质中，以PAN为指示剂，用CuSO4标准溶液滴定至紫红色。三、实验仪器及实验试剂 实验仪器：烧杯（300ml，50ml），移液管（25ml，50ml），玻璃棒，锥形瓶，碱式滴定管(50ml)，250ml容量瓶，电热器，吸耳球，胶头滴管，恒温水浴锅，洗瓶，表面皿，定量滤纸，漏斗，瓷坩埚，马弗炉，精密pH试纸，分析天平，干燥器 实验试剂：水泥试样

9、，NH4Cl（固体），HCl（浓，1:1，3:97），HNO3(浓)，NH4CNS（10%），氨水（1:1），EDTA溶液（0.015mol/L），HAc-NaAc缓冲溶液，CuSO4溶液（0.015mol/L），MgCl2溶液，NH3-NH4Cl缓冲溶液，指示剂：溴甲酚绿，铬黑T，PAN指示液，磺基水杨酸。四、实验步骤（一）SiO2含量的测定1、差减法准确称取0.4-0.5g试样，置于干燥蒸发皿中，加入2.53g固体NH4Cl，用玻璃棒混匀，滴加浓HCl溶液至试样全部润湿，并滴加23滴浓HNO3，搅匀，使试样充分溶解。2、盖上表面皿，置于沸水浴上，加热约10min至近干，取下，加约10ml热

10、的稀HCl（3:97）搅动以溶解可溶性盐类。3、以中速定量滤纸过滤，用胶头淀帚以热的稀HCl（3:97）擦洗玻璃棒及烧杯，并洗涤沉淀至滤液中不含铁离子为止（用NH4CNS检验）。4、将滤液及洗涤液定量转移至250ml容量瓶中，定容，摇匀，供后续测定使用。5、将沉淀连同滤纸放入已恒重的瓷坩埚中，先在电炉上低温烘干，再升高温度使滤纸充分灰化后，于950-1000灼烧30min 取下，置于干燥器中冷却至室温，称重。再灼烧、称量，直至恒重。计算试样中SiO2的含量。（二）0.01 mol/L钙标准溶液配制 称取0.37-0.38g纯碳酸钙，用1：1盐酸溶解，加适量水，定量转移至250ml的容量瓶中，定

11、容，摇匀，待用。（三）EDTA溶液的标定：1、用移液管移取25ml钙标准溶液至锥形瓶中，加2mlMgY和5ml NH3-NH4Cl缓冲溶液，摇匀。用待标定的EDTA滴定至溶液由酒红变为纯蓝色即为终点，记录消耗EDTA溶液的体积，2、平行测定三份，计算得出EDTA溶液的准确浓度。（四）EDTA与CuSO4标准溶液的体积比K的求算1、从滴定管缓慢放出10-15mLCEDTA=0.015mol/L的EDTA标准溶液于300ml锥形瓶中，记录所放EDTA标准溶液的体积为V1加水稀释至150-200ml。2、加约15mLpH=4.3的HAc-NaAc缓冲溶液，加热至沸，取下稍冷，加5-6滴PAN指示液，

12、以CuSO4标准溶液滴定至亮紫色。3、记录消耗CuSO4标准溶液的体积V2，平行测定3次，计算K值，K=V1/V2。（五）Fe3+含量的测定1、移取过滤后定容于250ml容量瓶的试液50.00ml于锥形瓶中，加2滴0.05%溴甲酚绿指示剂，溶液变为黄色。2、逐滴滴加1:1氨水使溶液成为绿色。3、再用1：1HCl溶液调节溶液酸度至黄色后再过量3滴。4、置于70水浴中加热10min，取下。5、加6-8滴磺基水杨酸，趁热用0.015mol/L EDTA标准溶液滴定至溶液由紫红色变为亮黄色即为终点，记录EDTA消耗体积。6、平行测定三次，求Fe2O3的平均含量。(六)Al3+含量的测定1、从滴定管中放

13、约20.00mlEDTA标准溶液于测定完Fe2O3含量后的溶液中，记录所放EDTA标准溶液的体积，摇匀。2、加15mlpH=4.3的HAc-NaAc缓冲溶液，以精密PH试纸检查。煮沸1-2 min，取下，冷却至90左右，加入4滴0.2%PAN指示剂，以0.015mol/L CuSO4标准溶液滴定。开始溶液呈黄色，随着CuSO4标准溶液的加入，颜色逐渐变绿并加深，直至再加一滴突然变紫，即为终点。记录CuSO4消耗的体积。注意临近终点时应剧烈摇动，并缓慢滴定。3、平行测定三次，求Al2O3的平均含量。五、原始数据记录与处理（一）原始数据SiO2的测定EDTA浓度的测定K的测定Fe2O3的测定Al2

14、O3的测定水泥质量/g坩埚+SiO2/g空坩埚/gmCaCO3/gVEDTA/mlVEDTA/mlVCuSO4/mlVEDTA/mlVEDTA/mlVCuSO4/ml0.428429.922829.83930.371629.9912.0116.893.7619.4618.3130.0011.4116.273.7019.0918.1130.0110.8915.503.6820.1619.11（二）数据处理1、SiO2含量测定：WSiO2=m1（坩埚+ SiO2）-m2（坩埚）/m0（样品）*100%SiO2的测定水泥质量/g坩埚+SiO2/g空坩埚/gmSiO2/g质量分数0.428429.92

15、2829.83930.083519.49%2、EDTA溶液的标定：CCaCO3= mCaCO3/ MCaCO3/(250*10-3)CEDTA=（VCaCO3*CCaCO3）/ VEDTA平均相对偏差=（C平均(EDTA)-CEDTA）/CEDTA*100已知CEDTA=0.01221mol/LEDTA浓度的测定mCaCO3/gVEDTA/mlCCaCO3/(mol/L)CEDTA/(mol/L)C平均(EDTA)/(mol/L)平均相对偏差0.371629.990.014860.012390.012391.45%30.000.0123930.010.012383、k值的测定K=V1(EDTA

16、)/V2(CuSO4)C(CuSO4)= C(EDTA)*KK的测定VEDTA/mlVCuSO4/mlkk平均C(CuSO4)/ml/L12.0116.890.71110.70500.00873211.4116.270.701310.8915.500.70264、 Fe3+含量的测定：m(Fe3+)= C（EDTA）* V（EDTA）*M（Fe3+）/V（滤液）/250/1000m(Fe2O3）=1/2*m(Fe3+)/M（Fe3+）*M（Fe2O3）质量分数=m平均（Fe2O3）/m(样品)*100Fe2O3的测定VEDTA/mlm(Fe3+)/gm（Fe2O3）/gm平均（Fe2O3）/g

17、质量分数3.760.012950.018240.018024.213.700.012740.017963.680.012670.017865、Al3+含量的测定:m(Al3+)= C（EDTA）* V（EDTA）- C(CuSO4) *V(CuSO4)* M(1/2Al2O3) /V（滤液）/250/1000m(Al2O3)=1/2*m(Al3+)/M(Al3+)*M(Al2O3)质量分数= m(Al3+)/ m(样品)*100%Al2O3的测定VEDTA/mlVCuSO4/mlm(Al3+)/gm(Al2O3)/gm平均(Al2O3)/g质量分数19.4618.310.010970.0207

18、00.020614.81%19.0918.110.010580.0199820.1619.110.011190.02113六、结果分析与讨论误差来源实验中处处都存在着误差，稍不注意，便会产生误差，回顾整个实验，与结果对比，分析出以下可能的误差来源：1) 单层过滤时，一些颗粒较小的二氧化硅会透过滤纸，导致结果偏低。2) 原料水泥中存在其他不容物时，无法消解的物质，灼烧至恒重时使二氧化硅含量偏高。3) 指示剂的用量也会影响滴定结果的准确性。直接滴定法采用PAN和CuEDTA指示剂，PAN的用量一般在2到3滴，太多会影响滴定终点的判断。七、注意事项1. 严格控制硅酸脱水的温度和时间。脱水温度不要超过

19、110，若温度过高，某些氯化物，如AlCl3、FeCl3、MgCl2易水解，生成难溶于水的碱式盐或氢氧化物，混入沉淀使SiO2结果偏高。当温度高至120以上时，它们还可能与硅酸结合生成一部分几乎不被盐酸分解的硅酸盐，不易过滤与洗涤，使硅酸沉淀夹带较多杂质。脱水温度如不够，则可溶性的硅酸未能完全转变成不溶性硅酸，在过滤、洗涤时会透过滤纸，将使SiO2结果偏低。2. 必须使用水浴。使用水浴加热，蒸发皿底部绝大部分置于蒸汽氛围中，温度易控制，水蒸汽温度为100-110，最有利于硅酸脱水。3. 应用正确的洗涤方法。为了防止Ti02+、Al3+和Fe3+等离子的水解和硅酸溶胶透过滤纸，可先用热的稀盐酸(

20、3：97)洗涤沉淀34次，再用热水充分洗涤。一般洗液不宜超过120ml。4. 灰化时，坩埚盖应半开，不能使滤纸产生火焰。需充分灰化后(呈灰白色)再移高温下950一1000灼烧沉淀。5. 直接滴定铝时。最适宜P H范围在2535之间溶液PH低于25时，Al3+与EDTA的配位反应不能完全进行，而高于35时铝离子会有较大的水解倾向，所以高于或低于这个PH范围均会使铝含量的测定结果偏低，故滴定时应调适到最适宜PH来提高测定结果的准确性。6. 指示剂的用量也会影响滴定结果的准确性。直接滴定法采用PAN和CuEDTA指示剂，PAN的用量一般在2到3滴，太多会影响滴定终点的判断。八、 思考题1、试样分解后

21、加热蒸发的目的是什么？操作中应注意什么？硅酸是一种很弱的无机酸，在水溶液中绝大部分以溶胶状态存在，其化学式 以 SiO2nH2O 表示。在用浓酸和加热蒸干等方法处理后，能使绝大部分硅胶脱水 成水凝胶析出，因此可利用沉淀分离的方法把硅酸与水泥中的铁、铝、钙、镁等 其他组分分开。蒸干脱水是将溶液控制在100左右下进行。由于HCl的蒸发，硅酸中所含的水分大部分被带走，硅酸水溶胶即成为水凝胶析出。由于溶液中的 Fe3+、Al3+等离子在温度超过110时 易水解生成难溶性的碱式盐而混在硅酸凝胶中，这样将使 SiO2的结果偏高，而 Fe2O3，Al2O3等的结果偏低，故加热蒸干宜采用水浴以严格控制温度。2

22、、沉淀洗涤需注意什么？ 一贴二低三靠，洗涤完全，洗涤后沉淀中应不含Fe3+,玻璃棒及烧杯应擦拭干净，以防影响结果。 多次洗涤，确保铁离子被除净。3、沉淀在高温灼烧前，为什么需经过干燥炭化？ 含水硅酸的组成不稳定，如直接高温导致测定结果不准确。干燥炭化过程中产生大量水蒸气，会导致灼烧速度变慢。产生的大量黑烟会污染马弗炉。 4、在铁离子、铝离子、钙离子、镁离子共存时，以EDTA标准溶液分别滴定铁离子、铝离子、钙离子等含量时，是怎样消除其他共存离子的干扰的？溶液酸度分别控制在什么范围？怎么控制？ 答：测定铝时，最适宜的pH范围在2.53.5，pH3.5,铝离子会水解 滴定铁时，控制酸度在22.5，pH2.5时,铁离子会水解. 酸度控制:加缓冲溶液