硅酸盐水泥中SiO2Fe2O3Al2O3含量的测定.docx
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硅酸盐水泥中SiO2Fe2O3Al2O3含量的测定
硅酸盐水泥中SiO2,Fe2O3,AI2O3
含量的测定
实
验
报
告
班级:
应111-1
、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FQO3AI2O3等含量的原理和方法。
5、掌握CaC03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(Si02)、氧化铝(AI2O3)和氧化铁(FeO3简写为F)四种氧化物组成。
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(S0)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(3CaO?
SiO2)、硅酸二钙(2CaO?
SiO2)、铝酸三钙(3CaO2AbO3)和铁铝酸四钙(4CaO?
Al2O3?
F@O3)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:
2CaO?
SiO2+4HCl—2CaCb+H2SiQ+H2O
3CaO?
SiO2+6HCI—3CaCb+H2SiQ+2H2O
3CaO?
Al2O3+12HCl—3CaCb+2AICI3+6H2O
4CaO?
Al2O3?
Fe2O3+20HCl—4CaC2+2AICI3+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SiO2?
iH2O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100C左右下
进行。
由于HCI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110C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FqO3,AI2O3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HCI,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:
NH4CI+H2O-NH3.H2O+HCI
含水硅酸的组成不固定,故沉淀经过过滤、洗涤、烘干后,还需经950-1000C
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+、AI3+、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,KaIY=10163,KFe(III)Y=10251,KcaY=1010.69,心丫二®8"。
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:
KQ4
l給如耐応法HTTAiAi
仪觀总慚扶MUSMHW址檄*钦测疵
控制溶液的pH为2〜2.5,以磺基水杨酸为指示剂,温度以60〜70C为宜,
当温度高于75C时,Al3+也能与EDTA形成螯合物,使测定Fe3+结果偏高,测定
A『+结果偏低。
当温度低于50C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FeT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
(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A|3+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A|3+与EDTA充分反应,然后用CuSQ标准溶液回滴定过量的EDTA。
AlY2-无色,PAN在pH为4.3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-=AIY-+2H+,
无色
Cu2++H2Y"-=CuY2-+2H+,
蓝色
Cu+PAN=Cu-PAN
黄色紫红色
1、测定Al3+的适宜酸度pH=4〜5,最适宜的pH〜4.3
2、PAN:
一种二元弱酸,用H2In+表示(PKa=2.9,PK&=11.95)
H2In——
--—Hln
—In
淡绿色
黄色
红色
(<2.5)
(2.5〜12)
(>12)
PAN能与50多种元素生成有色螯合物,除Pd(ll)、Co(lll)、RhQII)为绿色,Fe(III)为暗红色,V(v)、TI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CuSO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,NMCl(固体),HCI(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),MgCb溶液,NH3-NH4CI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
(1)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2.5~3g固体NH4CI,
用玻璃棒混匀,滴加浓HCI溶液至试样全部润湿,并滴加2~3滴浓HN03,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热的稀HCI(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HCI(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950-1000C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)0.01mol/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5mlNHa-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V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,以CuSO4标准溶液滴定至亮紫色。
3、记录消耗CuSQ标准溶液的体积V2,平行测定3次,计算K值,K=Vi/V2。
(五)f£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70C水浴中加热10min,取下。
5、加6-8滴磺基水杨酸,趁热用0.015mol/LEDTA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。
&平行测定三次,求FqO3的平均含量。
(六)Al3+含量的测定
1、从滴定管中放约20.00mlEDTA标准溶液于测定完FqOs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1-2min,取下,冷却至90C左右,加入4滴0.2%PAN指示剂,以0.015mol/LCuSO4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AI2O3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
Al2O3的测定
水泥质
量/g
坩埚
+SiO2/g
空坩埚
/g
mCaCO
3/g
VEDTA/ml
VEDTA/m
l
VCuSO4/ml
VEDTA/ml
VEDTA/m
l
VCuSO4
/ml
0.4284
29.9228
29.8393
0.3716
29.99
12.01
16.89
3.76
19.46
18.31
30.00
11.41
16.27
3.70
19.09
18.11
30.01
10.89
15.50
3.68
20.16
19.11
(二)数据处理
1、SiO2含量测定:
WsQ2=[mi(坩埚+SiO2)-m2(坩埚)]/m。
(样品)*100%
SiO2的测定
水泥质
量/g
坩埚
+SiO2/g
空坩埚
/g
mSiO2/g
质量分数
0.4284
29.9228
29.8393
0.0835
19.49%
2、EDTA溶液的标定:
CcaCO3=mCaCOa/MCaC03/(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/L
edta浓度的测定
mCaC03
/g
vedta/
ml
CCaCO3/(mol/
L)
CEDTA/(mol/L
)
c平均
(EDTA)/(mol/L)
平均相对偏差
0.3716
29.99
0.01486
0.01239
0.01239
1.45%
30.00
0.01239
30.01
0.01238
3、k值的测定
K=Vi(EDTA)/V2(CuSO4)
C(CuSC4)=C(EDTA)*K
k的测定
vedta/
ml
VCuSO4/ml
k
k平均
C(CuSQ)/ml/L
12.01
16.89
0.7111
11.41
16.27
0.7013
0.7050
0.008732
10.89
15.50
0.7026
4、Fe3+含量的测定:
3+3+
m(Fe)=[C(EDTA)*V(EDTA)*M(Fe)]/[V(滤液)/250]/1000
3+3+
m(F®03)=1/2*m(Fe)/M(Fe)*M(FqOs)
质量分数=m平均(FbO3)/m(样品)*100%
Fe203的测定
VEDTA/
ml
m(Fe3+)/
g
m(Fe203)/g
m平均
(Fg)/g
质量分数
3.76
0.01295
0.01824
3.70
0.01274
0.01796
0.01802
4.21%
3.68
0.01267
0.01786
5、Al3+含量的测定:
m(AI3+)={[C(EDTA)*V(EDTA)-C(CuS04)*V(CuS04)]*M(1/2Al2O3)}/[V(滤
液)/250]/1000
3+3+
m(Al203)=1/2*m(AI)/M(Al)*M(AbO3)
质量分数=m(Al3+)/m(样品)*100%
Al203的测定
VEDTA/
ml
VCuS04/
ml
m(AI3+)/g
m(AI203)/g
m平均
(AQj/g
质量分数
19.46
18.31
0.01097
0.02070
19.09
18.11
0.01058
0.01998
0.02061
4.81%
20.16
19.11
0.01119
0.02113
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
Cu—EDTA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110C,若温度过高,
某些氯化物,如AlCb、FeC3、MgC*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120C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100-110C,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(3:
97)洗涤沉淀3—4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950一1000C灼烧沉淀。
5.直接滴定铝时。
最适宜PH范围在2.5—3.5之间•溶液PH低于2.5时,A|3+与EDTA的配位反应不能完全进行,而高于3.5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
Cu—EDTA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SiO2?
iH2O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100C左右下进行。
由于HCI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+、A|3+
等离子在温度超过110C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FqO3,AI2O3等的结果偏低,故加热蒸干宜采用水浴以严格控制温度。
2、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2.5~3.5,pH<2.5时铝离子与EDTA配位
反应不完全,pH>3.5,铝离子会水解
滴定铁时,控制酸度在2~2.5,pH<2时,产生酸效应,pH>2.5时,铁离子会水解.
酸度控制:
加缓冲溶液