硅酸盐水泥中氧化铝含量测定的研究.docx
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硅酸盐水泥中氧化铝含量测定的研究
毕业设计（论文）
题目：
硅酸盐水泥中氧化铝含量测定的研究
姓名：
王丹
专业：
应用化学专业
学院：
继续教育学院
学习形式：
自考专升本
助学单位：
辽宁石化职业技术学院
指导教师：
温泉
2013年8月
毕业设计（论文）
说明书
题目硅酸盐水泥中氧化铝含量测定的研究
院别：
辽宁石油化工大学
专业：
应用化学
班级：
应化111班
设计人：
王丹
指导教师：
温泉
毕业设计（论文）任务书
1、题目：
硅酸盐水泥中氧化铝含量测定的研究
二、基础数据
1.盐酸：
1：
5
2.氨水：
1：
1
3.EDTA标准滴定溶液:
0.02mol/L
4.硫酸铜标准滴定溶液：
0.02mol/L
5.乙酸乙酸钠缓冲溶液（PH=4.3）
6.氨—氯化铵缓冲溶液（PH=10）
7.PAN指示剂（2g/L）
8.铬黑T指示剂（5g/L）
9.氢氧化钾
10.盐酸
11.硝酸
3、内容要求
（1）说明部分
在PH=1.8～2.0的酸性介质中，60～70摄氏度的条件下，以磺基水杨酸钠为指示剂，用EDTA标准滴定溶液直接滴定溶液中的铁（Fe3+），溶液颜色由紫红色变为亮黄色为终点，根据EDTA标准滴定溶液的浓度和化学计量点时其所消耗的体积计算式样中的全铁含量。
在滴定铁后的溶液中，加入对铝、钛过量的EDTA标准滴定溶液，在PH=3.8～4.0的溶液中，以PAN为指示剂，用硫酸铜标准滴定溶液回滴过量的EDTA。
滴定至亮紫色即为终点。
2.计算部分：
Al3++H2Y2-（过量）=AlY-+2H+
Cu2++H2Y2-（剩余）=CuY2-+2H+
四、发给日期：
2013年05月20日
五、要求完成日期：
2013年08月20日
指导教师：
温泉
系主任：
赵连俊
2013年8月26日
硅酸盐水泥中氧化铝含量测定的研究
摘要
凡以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，5%以下的石灰石或粒化高炉矿渣，适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，统称为硅酸盐水泥。
硅酸盐水泥的主要矿物组成是：
硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙。
硅酸盐水泥主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。
其中硅酸钙矿物不小于66%，氧化钙和氧化硅质量比不小于2.0。
采用置换滴定法测定水泥中的氧化铝。
主要方法是在酸性介质中以PAN为指示剂，用硫酸铜标准滴定溶液回滴过量的EDTA。
滴定至亮紫色即为终点。
关键词：
置换滴定法，硅酸盐水泥，氧化铝含量测。
StudyondeterminationofaluminumoxidecontentofPortlandcement
Abstract
Wherecalciumsilicate-orientedPortlandcementclinker,limestoneorgranulatedblastfurnaceslagunder5%ofage,amountofplastermadeoffinelygroundhydrauliccementitiousmaterial,collectivelyknownasPortlandcement。
MainmineralcompositionofPortlandcementare:
calcium,dicalciumsilicate,aluminumsilicatefourcalciumaluminumacid,calcium,andiron.PortlandcementcontainingprincipallyCaO,SiO2,Al2O3,Fe2O3andothermaterials,dueproportionintofinepowderburnstopartialmeltingofcalciumsilicateasthemainmineralcomponentofhydrauliccementitiousmaterial.Calciumsilicatemineralofwhichnotlessthan66%,calciumoxideandsilicondioxidemassratioofnotlessthan2.
Titrimetricmethodforthedeterminationofaluminacementusedreplacement.MainmethodistoPANfortheindicatorinacidicmedia,excessivedropswithcoppersulfatestandardvolumetricsolutionofEDTA.Lightpurpleistheendpointtitrationto.
Keywords：
Replacementtitration;Portlandcement;Determinationofaluminumoxidecontent
1文献综述
硅酸盐水泥，以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏、及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。
其熟料由主要含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的原料，按适当比例磨成细粉烧至部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。
本实验采用置换法测定水泥中的氧化铝，其操作简捷、快速、准确的分析方法是分析工作者迫切希望的。
此方法操作简单、稳定性强、准确率高;从而及时、准确地为生产、科研提供第一手分析结果。
1.1硅酸盐水泥的基本介绍
（1）通用硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量的石膏,以及规定的混合材料制成的水硬性胶凝材料。
通用水泥是指大量土木工程一般用途的水泥,硅酸盐水泥包括六大品种：
硅酸盐水泥（P·Ⅰ或P·Ⅱ）普通硅酸盐水泥（P·О）矿渣硅酸盐水泥（P·S）即火山灰硅酸盐水泥（P·P）粉煤灰硅酸盐水泥（P·F）复合水泥（P·C）.硅酸盐水泥熟料矿物组成，在水泥熟料中，氧化钙、二氧化硅、氧化铝和氧化铁等都不是以单独的氧化物形式存在，而是经过高温煅烧后，两种或两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体，其结晶细小，通常为30～60μm。
因此，水泥熟料实际上是一种多矿物组成的结晶细小的人造岩石。
硅酸盐水泥熟料主要由以下四种矿物组成：
硅酸三钙3CaOSiO2，可简写为C3S； 硅酸二钙2CaOSi2，可简写为C2S； 铝酸三钙3CaOA12O3，可简写为C3A；铁相固熔体通常以铁铝酸四钙4CaOA12O3Fe203作为其代表式，可简写为C4AF。
这四种熟料矿物决定着硅酸盐水泥的主要性能，一般硅酸盐水泥熟料中，这四种矿物组成占95以上，其中硅酸盐矿物C3S和C2S约占75左右，熔剂性矿物C3A和C4AF约占22左右。
（2）强度等级每种水泥都有不同的等级叫水泥的强度等级。
这个等级主要是按28天抗压强度值来划分的。
硅酸盐水泥有6个强度等级：
42.542.5R52.552.5R62.562.5R；普通硅酸盐水泥的强度等级分为4个：
42.542.5R52.552.5R。
矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的强度等级分为6个：
32.532.5R42.542.5R52.552.5R。
各个等级的水泥,不但28天的抗压强度不低于相应的数值，而且3天的强度（包括抗压强度和抗折强度）、28天的抗折强度也应满足相应要求以水泥国家标准为准。
1.2硅酸盐水泥的用途及氧化铝含量测定方法
硅酸盐水泥在各个方面广泛应用，如混凝土工程，道路与路面工程等等。
采用置换滴定法测定水泥中的氧化铝。
采用了EDTA标准溶液和铜盐标准溶液回滴的方法。
1.2.1硅酸盐水泥的用途
1.早期及后期强度均高：
适用于预制和现浇的混凝土工程、冬季施工的混凝土工程、预应力混凝土工程等。
水硬性.就是遇水变硬,用于建房等。
2.抗冻性好：
适用于严寒地区和抗冻性要求高的混凝土工程。
3.耐腐蚀性差：
不宜用于受流动软水和压力水作用的工程，也不宜用于受海水和其它腐蚀性介质作用的工程。
4.水化热高：
不宜用于大体积混凝土工程。
5.抗炭化性好：
适合用于二氧化碳浓度较高的环境，如翻砂、铸造车间等。
6.耐热性差：
不得用于耐热混凝土工程。
7.干缩小：
可用于干燥环境。
8.耐磨性好：
可用于道路与地面工程。
1.2.2硅酸盐中氧化铝含量的测定方法
试样处理
准确称取约0.5g试样，精确至0.0001g，置于银坩埚中，加入6～7g氢氧化钾，在650～700℃的高温下熔融20min，取出冷却，将坩埚放入已盛有100mL近沸腾水的烧杯中，盖上表面皿，于电热板上加热，待到熔块完全浸出后，取出坩埚，用水清洗坩埚和盖，在搅拌下一次加入25～30ml盐酸，再加入1ml硝酸，用1：
5的热盐酸清洗坩埚和盖，将溶液加热至沸，冷却，移入250ml容量瓶中，用水稀释至刻线，摇匀。
此溶液用于测定氧化铝。
测定
准确移取溶液25.00ml于250ml锥形瓶中，加水稀释至100ml，用1：
1氨水调节溶液PH=1.8～2.0（用紧精密PH试纸），将溶液加热至70℃，加10滴磺基水杨酸钠指示剂，用0.02mol/LEDTA标准滴定溶液缓慢滴定至溶液颜色由紫红色变为亮黄色为终点。
向滴定完铁的溶液中加入0.02mol/LEDTA标准滴定溶液至过量10～15ml，用水稀释至150～200ml，将溶液加热至70～80℃后，加数滴1：
1氨水使溶液PH=3.0～3.5之间，加15mlPH=4.3的乙酸—乙酸钠缓冲溶液，煮沸1～2min，取下稍冷，加4～5滴PAN指示剂，用0.02mol/L硫酸铜标准溶液滴定至亮紫色为终点，记录消耗硫酸铜溶液的体积。
1.3硅酸盐中氧化铝研究的目的
硅酸盐水泥熟料主要由氧化钙（CaO，简写为C）、二氧化硅（SiO2简写为S）、氧化铝（Al2O3简写A）和氧化铁（Fe2O3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、氧化钛、三氧化硫等。
氧化钙是熟料中最主要的成分，它与熟料中其他氧化物如Si02、A1203、Fe203等发生化学反应，生成熟料矿物如硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等。
一般情况下，随着熟料中CaO含量的增加，熟料中矿物成分C3S含量增大，从而可以提高水泥的强度。
但是CaO的含量不是越多越好，而是有一个最佳含量，即与SiO2、A1203、Fe203等氧化物化合后没有剩余的CaO存在的量。
假如CaO含量超过其他氧化物与之化合所需的量，则多余的CaO会以游离状态存在于熟料中，从而影响水泥的体积安定性。
二氧化硅也是硅酸盐水泥熟料中最主要化学成分之一。
它在高温下与CaO发生反应，生成硅酸盐矿物硅酸三钙和硅酸二钙。
假如熟料中SiO2含量低，生成的硅酸盐矿物量就减少，从而影响水泥的强度。
另外SiO2含量对熟料煅烧也会产生很大影响。
熟料中氧化铝可以与CaO、Si02、Fe203发生反应，生成铝酸三钙和铁铝酸四钙。
当A1203含量增加时，水泥的凝聚、硬化速度加快，但是水泥后期强度增长缓慢，并且降低了水泥的抗硫酸盐性能。
A1203含量高的水泥，在水化时放热快，而且水泥的水化热较大。
氧化铁也是熟料中重要的化学成分之一，可以与CaO、A1203反应生成铁铝酸四钙。
增加熟料中的Fe203含量，可以降低水泥熟料的熔融温度，但会导致水泥水化和硬化速度变慢。
其他少量氧化物的存在，也会不同程度地影响着硅酸盐水泥熟料的煅烧过程和水泥性能。
同时在水泥熟料中，氧化钙、二氧化硅、氧化铝和氧化铁等都不是以单独的氧化物形式存在，而是经过高温煅烧后，两种或两种以上的氧化物反应生成的多种矿物集合体，其结晶细小，通常为30～60μm。
因此，水泥熟料实际上是一种多矿物组成的结晶细小的人造岩石。
硅酸盐水泥熟料主要由以下四种矿物组成：
硅酸三钙3CaOSi02，可简写为C3S； 硅酸二钙2CaOSi2，可简写为C2S； 铝酸三钙3CaOA12O3，可简写为C3A；铁相固熔体通常以铁铝酸四钙4CaOA12O3Fe203作为其代表式，可简写为C4AF。
这四种熟料矿物决定着硅酸盐水泥的主要性能，一般硅酸盐水泥熟料中，这四种矿物组成占95以上，其中硅酸盐矿物C3S和C2S约占75左右，熔剂性矿物C3A和C4AF约占22左右。
在硅酸盐水泥熟料中，假如生料配料不当，生料过烧或煅烧不良时，熟料中就会出现没有被吸收的以游离状态存在的氧化钙，常称为游离氧化钙。
另外熟料在煅烧时，其中氧化镁有一部分可以和熟料矿物结合成固熔体以及熔于液相中。
在硅酸盐水泥熟料中，氧化镁的固熔体量可达2％，多余的氧化镁印结晶出来呈游离状态的方镁石存在，对水泥的体积安定性产生不良影响。
其中A1203含量高的水泥，在水化时放热快，而且水泥的水化热较大。
硅酸盐水泥的水化是一个放热反应过程。
通过氧化铝含量的测定，目的更好的利用材料，更加准确的为工业材料提炼做准备。
2实验方法
铜盐回滴法
基本原理：
采用置换法测定硅酸盐水泥中氧化铝，在滴定铁后的溶液中，加入对铝钛过量的EDTA标准滴定溶液，在PH=3.8～4.0的溶液中，以PAN为指示剂，用硫酸铜标准溶液滴定溶液回滴过量的EDTA。
滴定至亮紫色即为终点。
反应方程式如下：
Al3++H2Y2-（过量）=AlY-+2H+
Cu2++H2Y2-（剩余）=CuY2-+2H+
计算公式：
2.1仪器与试剂，及所需溶液的制备
（1）电子分析天平
（2）银坩埚
（3）研钵
（4）托盘天平
（5）滴定分析装置，酸式滴定管（50.00ml）
（6）氢氧化钾
（7）盐酸
（8）盐酸（1:
1）
（9）硝酸
（10）氨水（1:
1）
（11）EDTA标准滴定溶液（0.02mol/l）
称取7.5gEDTA于烧杯中，加约200ml水，加热溶解，过滤，用水稀释至1ml。
EDTA标准溶液的标定，称取0.65g于（800℃）的高温炉中灼烧至恒重的基准试剂氧化锌，用少量水稀释，加3ml20%的盐酸溶解，移入250ml容量瓶中，稀释至刻线，定容，摇匀。
移取25.00ml于250ml锥形瓶中，加70ml水，用氨水（1:
1）调节溶液PH=7～8，加10ml氨-氯化铵缓冲溶液，5滴EBT，用EDTA溶液滴定至溶液由紫色变为纯蓝色。
同事做空白溶液。
（10）硫酸铜标准滴定溶液（0.02mol/L）
称取5.0g五水硫酸铜溶于水中，加4～5滴1:
1硫酸，加水稀释至1L，摇匀。
硫酸铜标准滴定溶液的标定：
准确移取25.00ml0.02mol/LEDTA标准滴定溶液于250ml锥形瓶中，用水稀释至150ml，加15mlPH=4.3的缓冲溶液，加热煮沸。
取下稍冷，加5～6滴PAN指示剂，用硫酸铜标准滴定溶液滴定至亮紫色
（11）乙酸乙酸钠缓冲溶液（PH=4.3）
（12）氨氯化铵缓冲溶液（PH=10）
（13）PAN指示剂（2g/l）
（14）EBT指示剂（5g/l）
2.2待测溶液的制备
准确称取约0.5g试样，精确至0.0001g，置于银坩埚中，加入6～7g氢氧化钾，在650～700℃的高温下熔融20min，取出冷却，将坩埚放入已盛有100mL近沸腾水的烧杯中，盖上表面皿，于电热板上加热，待到熔块完全浸出后，取出坩埚，用水清洗坩埚和盖，在搅拌下一次加入25～30ml盐酸，再加入1ml硝酸，用1：
5的热盐酸清洗坩埚和盖，将溶液加热至沸，冷却，移入250ml容量瓶中，用水稀释至刻线，摇匀。
此溶液用于测定氧化铝。
2.3实验方法
采用置换法测定水泥中的氧化铝。
准确移取溶液25.00ml于250ml锥形瓶中，加水稀释至100ml，用1：
1氨水调节溶液PH=1.8～2.0（用紧精密PH试纸），将溶液加热至70℃，加10滴磺基水杨酸钠指示剂，用0.02mol/LEDTA标准滴定溶液缓慢滴定至溶液颜色由紫红色变为亮黄色为终点。
向滴定完铁的溶液中加入0.02mol/LEDTA标准滴定溶液至过量10～15ml，用水稀释至150～200ml，将溶液加热至70～80℃后，加数滴1：
1氨水使溶液PH=3.0～3.5之间，加15mlPH=4.3的乙酸—乙酸钠缓冲溶液，煮沸1～2min，取下稍冷，加4～5滴PAN指示剂，用0.02mol/L硫酸铜标准溶液滴定至亮紫色为终点，记录消耗硫酸铜溶液的体积。
3结果与讨论
3.1硅酸盐水泥试样分解的研究
一：
熔融分解法
（1）熔融分解法
用酸或其他溶剂不能分解完全的试样，可用熔融的方法分解。
此法是将熔剂和试样混合后，于高温下，使试样转变为易溶于水或酸的化合物。
熔融方法需要高温设备，且引进大量熔剂的阳离子和坩埚物质，这对有些测定是不利的。
①熔剂分类
a.碱性熔剂：
如碱金属碳酸盐及其混合物、硼酸盐、氢氧化物等。
b.酸性熔剂：
包括酸式硫酸盐、焦硫酸盐、氟氢化物、硼酐等。
c.氧化性熔剂：
如过氧化钠、碱金属碳酸盐及氧化剂混合物等。
d.还原性熔剂：
如氧化铅和含碳物质的混合物、碱金属和硫的混合物、碱金属硫化物和硫的混合物等。
②选择熔剂的基本原则
一般说来，酸性试样采用碱性熔剂，碱性试样采用酸性熔剂，氧化性试样采用还原性熔剂，还原性试样采用氧化性熔剂，但也有例外。
③常用熔剂简介
a.碳酸盐。
通常用Na2CO3或KNaCO3作熔剂来分解矿石试样，如分解钠长石、重晶石、铌钽矿、铁矿、锰矿等。
熔融温度一般在900～1000℃，时间在10～30min，熔剂和试样的比例因不同的试样而有较大区别，如对铁矿或锰矿为1∶1，对硅酸盐约为5∶1，对一些难熔的物质如硅酸锆、釉和耐火材料等则要10∶1～20∶1，通常用铂坩埚。
碳酸盐熔融法的缺点是一些元素会挥发失去，汞和铊全部挥发，硒、砷、碘在很大程度上失去，氟、氯、溴损失较小。
b.过氧化钠。
过氧化钠常被用来熔解极难溶的金属和合金、铬矿以及其他难以分解的矿物，例如，钛铁矿、铌钽矿、绿柱石、锆石和电气石等。
此法的缺点是：
过氧化钠不纯且不能进一步提纯，一些坩埚材料常混入试样溶液中。
为克服此缺点，可加Na2CO3或NaOH。
500℃以下，可用铂坩埚，100%℃以下可用锆或镍坩埚。
可能采用的材料还有铁、银和刚玉。
c.氢氧化钠（钾）。
碱金属氢氧化物熔点较低（328℃），熔融时可在比碳酸盐熔点低得多的温度下进行。
对硅酸盐（如高岭土、耐火土、灰分、矿渣、玻璃等），特别是对铝硅酸盐熔融十分有效。
此外，还可用来分解铅钒，Nb，Ta及硼矿物和许多磷酸盐以及氟化物。
对氢氧化物熔融，镍坩埚（100%℃）和银坩埚（700℃）优于其他坩埚。
熔剂用量与试样量比为8∶1～10∶1。
此法的缺点是熔剂易吸潮，因此熔化时易发生喷溅现象。
优点是速度快，而且固化的熔融物容易溶解，F-，Cl-，Br-，As，B等也不会损失。
d.焦硫酸钾（钠）。
焦硫酸钾可用K2S2O7产品，也可用KHSO4脱水而得。
熔融时温度不应太高，持续的时间也不应太长。
假如试样很难分解，最好不时冷却熔融物，并加数滴浓硫酸，尽管这样做不十分方便。
对BeO,FeO,Cr2O3,Mo2O3,Tb2O3,TiO2,ZrO2,Nb2O5,Ta2O5和稀土氧化物以及这些元素的非硅酸盐矿物，例如钛铁矿,磁铁矿,铬铁矿,铌铁矿,钽铁矿等，焦硫酸盐熔融特别有效。
铂和熔凝石英是进行这类熔融常用的坩埚材料，前者略被腐蚀，后者较好。
熔剂与试样量之比为15:
1。
二：
氢氟酸分解法
氢氟酸是分解硅酸盐试样唯一最有效的溶剂，氟离子可与硅酸盐中的主要成分硅铝铁等形成稳定的易溶于水的配离子，用氢氟酸分解式样，用于测定二氧化硅；
3.2硅酸盐水泥试样氧化铝含量的测定研究
3.2.1酸度的研究
表3-1硅酸盐水泥中氧化铝含定（PH=0.5）
项目一
1
2
3
m样品/g
0.5002
C（EDTA）/mol/L
0.01987
V（EDTA）/mL
10.85
10.87
10.86
C（CuSO4）/mol/L
0.02004
V（CuSO4）/mL
5.44
5.46
5.45
W（Al2O3）/%
10.886
10.875
10.866
W（Al2O3）/%
10.88
相对极差/%
0.1
表3-2硅酸盐水泥中氧化铝测定（PH=0.7）
项目二
1
2
3
m样品/g
0.5002
C（EDTA）/mol/L
0.01987
V（EDTA）/mL
10.85
10.87
10.86
C（CuSO4）/mol/L
0.02004
V（CuSO4）/mL
5.35
5.37
5.36
W（Al2O3）/%
11.070
11.029
11.049
W（Al2O3）/%
11.05
相对极差/%
0.5
表-3硅酸盐水泥中氧化铝测定（PH=0.9）
项目三
1
2
3
m样品/g
0.5002
C（EDTA）/mol/L
0.01987
V（EDTA）/mL
10.85
10.87
10.86
C（CuSO4）/mol/L
0.02004
V（CuSO4）/mL
5.25
5.27
5.26
W（Al2O3）/%
11.274
11.234
11.254
W（Al2O3）/%
11.25
相对极差/%
0.4
表3-4硅酸盐水泥中氧化铝含量测定（PH=1.2）
项目四
1
2
3
m样品/g
0.5002
C（EDTA）/mol/L
0.01987
V（EDTA）/mL
10.85
10.87
10.86
C（CuSO4）/mol/L
0.02004
V（CuSO4）/mL
5.31
5.33
5.32
W（Al2O3）/%
11.152
11.111
11.131
W（Al2O3）/%
11.33
相对极差/%
0.4
表3-5硅酸盐水泥中氧化铝含量测定（PH=1.7）
项目五
1
2
3
m样品/g
0.5002
C（EDTA）/mol/L
0.01987
V（EDTA）/mL
10.85
10.87
10.86
C（CuSO4）/mol/L
0.02004
V（CuSO4）/mL
5.13
5.15
5.14
W（Al2O3）/%
11.519
11.479
11.499
W（Al2O3）/%
11.50
相对极差/%
0.3
表3-6硅酸盐水泥中氧化铝含量测定（PH=2.1）
项目六
1
2
3
m样品/g
0.5002
C（EDTA）/mol/L
0.01987
V（EDTA）/mL
10.85
10.87
10.86
C（CuSO4）/mol/L
0.02004
V（CuSO4）/mL
5.31
5.33
5.32
W（Al2O3
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