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水泥成分含量分析小的课题实验
短学期课题实验论文
题目水泥熟料主要成分含量测定
院（系）专业
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指导教师
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摘要
水泥熟料是调和生料经1400℃以上的高温煅烧而生的。
通过熟料分析，可以检验熟料质量和煅烧情况的好坏，根据分析结果，可以及时调整原料的配比以控制生产。
本文讨论了水泥熟料的定量化学分析过程。
通过重量法、国标法即硅钼蓝光度法测定
的含量；通过EDTA标准溶液配位滴定，测定铁、铝、钙、镁的含量。
关键词：
重量法；国际法；硅钼蓝光度法；配位滴定；水泥熟料
Abstract
Cementclinkerismanufacturedbytheprocessthatcementrawmaterialsarecalcinedathightemperatureover1400℃.Throughtheanalysisofclinker,wecantestthequalityofclinkerandcalcinationconditions.Basedontheresults,wecanadjusttheratioofrawmaterialtocontrolproductiontimely.Thisarticlediscussesthequantitativechemicalanalysisofcementclinker.ThecontentofSi
canbedeterminedbyweightingmethodandnationalstandardmethod,i.esiliconmolybdenumbluephotometricmethod;andthecontentofiron,aluminum,calciumandmagnesiumcanbedeterminedbyEDTAstandardsolutioncoordinationtitration.
KeyWord：
Gravimetricmethod；GBmethod；Siliconmolybdenumbluephotometricmethod；Coordinationtitration；Cementclinker
摘要I
AbstractⅡ
一、实验目的1
二、实验原理2
三、实验仪器和试剂3
四、实验步骤3
五、实验数据记录5
六、实验数据处理6
七、实验结论及误差分析8
八、讨论8
九、思考题9
参考文献10
一、实验目的
1.1了解用氯化铵重量法测定水泥熟料中
含量的原理和方法；
1.2了解国标法及硅钼蓝光度法测可溶性
含量的原理和方法；
1.3掌握配位滴定法的原理和滴定条件，特别是铁、铝、钙、镁共存时分别直接测定它们的方法；
1.4学会各种方法的测量条件、指示剂的选择，并有一定的鉴别能力；
1.5掌握
和EDTA标准溶液的配制与标定方法；
1.6进一步掌握配位滴定的几种滴定方法以及计算方法；
1.7掌握水浴加热、沉淀、过滤、灰化、灼烧等操作技术；
二、实验原理
水泥熟料是调和生料经1400℃以上的高温煅烧而成的。
通过熟料分析，可以检验熟料质量和煅烧情况的好坏，根据分析结果，可及时调整原料的配比以控制生产。
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（（CaO）3·SiO2）、硅酸二钙（（CaO）2·SiO2）、铝酸三钙（（CaO）3·Al2O3）和铁铝酸四钙（（CaO）4·Al2O3·Fe2O3）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：
（CaO）2·SiO2+4HCl→2CaCl2+H2SiO3+H2O
（CaO）3·SiO2+6HCl→3CaCl2+H2SiO3+2H2O
（CaO）3·Al2O3+12HCl→CaCl2+AlCl3+6H2O
（CaO）4·Al2O3·Fe2O3+20HCl→4CaCl2+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SiO2·nH2O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，因此可以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。
2.1SiO2的测定
2.1.1重量法
重量法又因使硅酸凝聚所用物质的不同分为盐酸干固法、动物胶法、氯化铵法等。
本实验采用氯化铵法。
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NH3·H2O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+H2O→NH3·H2O+HCl
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950-1000℃高温灼烧成固体成分SiO2，灼烧所得的SiO2是雪白而又疏松的粉末。
如所得沉淀呈灰色、黄色或红棕色，说明沉淀不纯。
然后称量，根据沉淀的质量计算SiO2的质量分数。
2.1.2国标法
在0.1～0.3mol/LHCl介质中，正硅酸与钼酸铵生成黄色的硅钼酸配合物。
提高酸度，用抗坏血酸还原硅钼黄为硅钼蓝，用分光光度法进行测定，并在标准二氧化硅工作曲线查出样品中二氧化硅含量。
2.2铁的测定
2.2.1控制溶液的pH为2～2.5，以磺基水杨酸为指示剂，用EDTA标准溶液滴定，溶液由紫红色变为微黄色即为终点。
2.2.2控制温度60～70℃为宜，当温度高于75℃时，Al3+也能与EDTA形成螯合物，使测定的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。
2.2.3配位滴定中有H+产生，Fe3++HY2-=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。
2.3铝的测定
2.3.1以PAN为指示剂的铜盐回滴定法是普遍采用的方法。
2.3.2Al3+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标准溶液回滴过量的EDTA。
CuY2-无色，PAN在测定条件（pH=4.3）下为黄色，所以滴定开始前溶液为黄色，随着CuSO4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，Cu与PAN形成紫红色配合物，由于蓝色CuY的存在，终点溶液呈紫色。
反应如下：
溶液中有三种有色物质存在：
黄色的PAN、蓝色的CuY2-、紫红色Cu-PAN，且三者的浓度又在变化中，因此颜色变化较复杂。
2.4钙、镁的测定
用EDTA配位法测定。
在pH≥12的溶液中加入钙指示剂，溶液呈酒红色，用EDTA标准溶液滴定时，EDTA能与钙离子形成稳定的配离子，溶液由酒红色变为纯蓝色，而钙指示剂则被游离出来，从而指示滴定终点；将溶液加热至70-80℃，在pH≥10的条件下，以酸性铬兰K-萘酚绿B为指示剂，溶液呈棕红色，用EDTA标准溶液滴定钙镁离子的总量。
三、实验仪器和试剂
3.1仪器
恒温水浴
电炉
马弗炉
烧杯
表面皿
定量滤纸（中速）
容量瓶
坩埚
干燥器
滴定管
移液管
3.2试剂
浓盐酸
1:
1盐酸溶液
3:
97盐酸溶液
浓硝酸
1:
1氨水溶液
10%NaOH溶液
N
Cl（固体）
10%N
溶液
1:
1三乙醇胺溶液
钙指示剂（固体）
水泥熟料
0.2%PAN指示剂
酸性铬蓝K-萘酚绿B（固体）
0.05%溴甲酚绿指示剂
10%磺基水杨酸指示剂
0.015mol·
EDTA标准溶液
HAc-NaAc缓冲溶液（pH=4.3）
0.015mol·
CuS
标准溶液
N
·
-N
缓冲溶液（pH=10）
四、实验内容
4.1SiO2的测定
4.1.1重量法
（1）准确称取试样0.5g左右,置于干燥的50mL烧杯中,加入2g氯化铵，用平头玻璃棒混合均匀；
（2）盖上表面皿，沿杯口滴加3mL浓盐酸和1滴浓硝酸，仔细搅拌20min使之充分分解；
（3）将烧杯置于沸水浴上，盖上表面皿蒸发至近干；
（4）加入10mL热的3:
97稀盐酸搅拌，以中速定量滤纸过滤，以热的3:
97盐酸洗涤烧杯和玻璃棒，至不含
为止；
（5）移液至250mL容量瓶，用水稀释定容；
（6）将沉淀和滤纸转移至恒重的瓷坩埚中，先在电炉上低温烘干，再升高温度使滤纸充分灰化。
然后再950-1000℃的马弗炉内灼烧30min；
（7）取出坩埚，稍冷，再移至干燥器冷却至室温，称量；
（8）反复步骤（6）、（7）至恒重。
4.1.2国标法
（1）二氧化硅标准溶液的配制
称取0.2000g经1000-1100℃新灼烧过30min以上的二氧化硅，精确值0.0001g，置于瓷坩埚中，加入2g无水碳酸钠，搅拌均匀，在1000-1100℃高温下熔融15min。
冷却，用热水将熔块浸出于盛有热水的300mL塑料杯中，待全部溶解后冷却至室温，移入1000mL容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀，即得0.2mg/mL二氧化硅标准溶液。
吸取10.00mL上述标准溶液于100mL容量瓶中，用水稀释定容，得到0.02mg/mL二氧化硅标准溶液。
（2）工作曲线的绘制
吸取每毫升含有0.02mg二氧化硅的标准溶液0；2.00mL；4.00mL；5.00mL；6.00mL；8.00mL；10.00mL分别放入100mL容量瓶中，加水稀释至约40mL，依次加入5mL1：
1盐酸溶液、8mL95%乙醇、6mL钼酸铵溶液。
放置30min后加入20mL1:
1盐酸溶液、5mL抗坏血酸溶液，用水稀释定容。
放置1h后，使用分光光度计。
10mm比色皿，以水作参比，于660nm处测定溶液的吸光度。
用测得的吸光度作为相对应的二氧化硅含量的函数，绘制工作曲线。
（3）碳酸钠烧结，氯化铵重量法测定
①称取约0.5g试样，精确至0.0001g，置于瓷坩埚中。
用玻璃棒仔细压碎块状物，加入0.3g无水碳酸钠，混匀，1000-1100℃灼烧10min，放冷。
②将烧结块移入瓷蒸发皿中，加少量水润湿，用平头玻璃棒压碎块状物，盖上表面皿，从皿口滴入5mL浓盐酸及2-3滴浓硝酸，待反应停止后取下表面皿，用平头玻璃棒压碎块状物使之分解完全，用热的1:
1盐酸溶液清洗坩埚数次，洗液合并于蒸发皿中。
将蒸发皿置于沸水浴上，蒸发至糊状后，加入1g氯化铵，充分搅匀，继续在沸水浴上蒸发至干。
③取下蒸发皿，加入10-20mL3:
97的热盐酸，搅拌使可溶性盐溶解。
用中速滤纸过滤，洗涤玻璃棒和蒸发皿，并洗涤沉淀三四次，然后用热水充分洗涤沉淀，直至检验无氯离子为止。
滤液及洗液保存在250mL容量瓶中，作为A液。
（4）硅钼蓝光度法测定
吸取25.00mL溶液A放入100mL容量瓶中，用水稀释至40mL，依次加入5mL1:
11盐酸、8mL95%乙醇、6mL钼酸铵溶液，放置30min后加入20mL1:
1盐酸、5mL抗坏血酸溶液、用水稀释定容，摇匀。
放置1h后，使用分光光度计，10mm比色皿，以水作参比，于660nm处测定溶液的吸光度。
在工作曲线上查出二氧化硅的含量。
4.2
的测定
（1）准确吸取分离
后的滤液50mL，置于400mL烧杯中；
（2）加2滴0.05%溴甲酚绿指示剂，溶液呈黄色；
（3）逐滴过量1:
1氨水，使溶液呈蓝绿色，然后用1:
1盐酸调节溶液酸度至黄色后再过量三滴，此时溶液pH约为2；
（4）加热至70℃，去下加6-8滴10%磺基水杨酸指示剂，以0.015mol/LEDTA标准溶液滴定。
颜色变化为：
紫色，淡紫红色，深红色，棕黄色，至亮黄色即为终点。
4.3
的测定
（1）在滴定铁的溶液中加入0.015mol/LEDTA标准溶液约20mL，记下数据，摇匀，稀释至200mL；
（2）加入15mLpH=4.3的HAc-NaAc缓冲溶液，以精密pH试纸检查；
（3）煮沸1-2min，取下冷却至90℃左右，加入4滴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的加入，颜色变化为：
黄色，黄绿色，蓝绿色，灰绿色，至突变为紫色即为终点。
4.4
的测定
准确吸取滤液25mL，置于250mL锥形瓶中，加水稀释至约50mL，加4mL1:
2三乙醇胺溶液，摇匀后加5mL10%NaOH溶液，摇匀，加少量固体钙指示剂。
以0.015mol/LEDTA标准溶液滴定至溶液为纯蓝色，即为终点。
4.5
的测定
准确吸取滤液25mL，置于250mL锥形瓶中，加水稀释至约50mL，加4mL1:
2三乙醇胺溶液，摇匀后加5mLpH=10NH3•H2O-NH4Cl缓冲溶液，再摇匀。
加热至70-80℃，加入少量K-B指示剂，溶液呈棕红色，0.015mol/LEDTA标准溶液滴定至溶液为暗蓝色，即为终点，根据此结果计算所得为钙、镁总量，减去钙量即为镁的含量。
五、实验数据记录
5.1重量法测定二氧化硅
样品
空坩埚恒重
灼烧后坩埚恒重
二氧化硅
质量/g
1.0722
22.6006
22.8229
0.2223
5.2国标法测二氧化硅
样品质量：
0.5324g
标准溶液样品质量：
0.2058g
工作曲线的测定
V二氧化硅标准溶液/mL
0
2.00
4.00
5.00
6.00
8.00
10.00
吸光度%
0
8.4
18.5
23.1
27.3
35.6
45.2
样品溶液A的吸光度：
14.2%
5.3EDTA溶液的标定
5.3.1基准物CaCO3的质量：
0.4219g
VEDTA
1
2
3
初读数/mL
0.00
0.00
0.00
末读数/mL
30.20
30.25
30.30
体积/mL
30.20
30.25
30.30
5.3.2基准物Cu的质量：
0.2509g
VCuSO4
1
2
3
初读数/mL
0.00
0.00
0.00
末读数/mL
24.05
24.20
24.00
体积/mL
24.05
24.20
24.00
5.4铁、铝、钙、镁含量测定
第一次测定
VEDTA
初读数/mL
0.00
0.00
0.00
0.00
末读数/mL
5.01
13.25
90.25
92.50
体积/mL
5.01
13.25
90.25
92.50
第二次测定
VEDTA
初读数/mL
0.00
0.00
0.00
0.00
末读数/mL
2.60
16.16
44.05
45.35
体积/mL
2.60
16.16
44.05
45.35
六、实验数据处理
6.1重量法测定二氧化硅
=
×100%=
×100%=20.73%
6.2国标法测二氧化硅
样品溶液吸光度为14.2%，对应二氧化硅浓度为5.8013×
g/mL，
样品中二氧化硅质量为5.8013×
g，二氧化硅质量分数0.1090%。
6.3EDTA溶液的标定
6.3.1用标准CaCO3标定
c（EDTA）=
1
2
30
c（EDTA）/（mol/L）
0.01396
0.01393
0.01391
平均浓度（mol/L）
0.01393
相对平均偏差
0.1%
6.3.2用标准Cu标定
c（C
）=
c（EDTA）=
1
2
3
/mL
24.05
24.20
24.00
c（EDTA）/（mol/L）
0.01519
0.01528
0.01516
平均浓度（mol/L）
0.01521
相对平均偏差
0.3%
6.4铁、铝、钙、镁含量测定
m（
）=
m（A
）=
m（CaO）=
m（MgO）=m（钙镁总量）-m（CaO）
ω=
×100%
第一次测量
A
CaO
MgO
m/g
0.0305
0.0550
0.3844
0.0138
ω%
2.845
5.130
35.85
1.287
第二次测量
A
CaO
MgO
m/g
0.01581
0.06266
0.1876
0.00788
ω%
2.970
11.77
35.24
1.48
七、实验结论及误差分析
综合两次实验结果，SiO2含量分别为20.73%和0.1090%；Fe2O3含量分别为2.845%和2.970%；Al2O3含量分别为5.130%和11.77%；CaO含量分别为35.85%和35.24%；MgO含量分别为1.287%和1.46%。
比较两种方法实际区别主要体现在对于SiO2含量测定方法的不同，国标法操作复杂，测定更加困难。
八、讨论
（1）过滤时须缓慢地向漏斗加液，避免溶液向滤纸边缘扩散，水分蒸发后金属离子残留在滤纸上，造成滤液中铁、铝、钙、镁的损失。
（2）必须使用水浴蒸发。
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）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950-1000℃灼烧沉淀。
（4）EDTA标准溶液的浓度需适中。
浓度太高，滴定铁和铝的时候用量较少，造成较大误差；浓度太低，滴定钙镁总量时用量较多，很有可能超过滴定管量程，造成误差。
（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，Al3+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。
酸性铬兰K-萘酚绿B指示剂的用量尤其需要注意，该指示剂颜色较深，且变色不明显，若加多溶液呈棕黑色，无法判断滴定终点。
（7）测定钙离子含量时，由于配位滴定条件pH>12，镁离子可能转化为氢氧化镁沉淀，造成溶液浑浊，但此现象并不影响钙离子含量的测定。
（8）在绘制二氧化硅标准溶液的工作曲线过程中，需将纯净的二氧化硅与无水碳酸钠混合熔融，之后的浸出操作比较困难。
把坩埚放进沸水中加热，将不可避免地引入坩埚上的杂质，也无法将二氧化硅与碳酸钠的混合物完全浸出。
导致二氧化硅标准溶液的浓度出现误差。
九、思考题
（1）测定SiO2时，试样分解后为什么要加热蒸发？
操作时应注意到什么？
答：
加热蒸发使得多余的浓盐酸和浓硝酸充分挥发，不然其具备的强氧化性会影响接下来的实验结果。
操作时注意不要凑近逸出有害气体的蒸发皿，控制蒸发程度，在近干的时候就取下蒸发皿。
（2）在测定Fe3+、Al3+时，为什么要控制一定的温度范围？
答：
温度低时金属离子与EDTA的配位反应慢，变色不明显，容易造成滴定误差。
（3）为什么在测定Al3+时，要先加EDTA后，再加入pH为4.3的缓冲溶液？
答：
如果先加缓冲溶液会生成氢氧化铝沉淀，而在形成与EDTA的配合物后就没
有多余的Al3+产生沉淀。
（4）测定Ca2+、Mg2+总量时，如溶液的pH>10，对测定结果有何影响？
答：
如果pH>10，EDTA与Mg2+配位极弱，Mg2+总含量会极度偏高。
参考文献
[1]孙尔康，张剑荣，马全红，邱凤仙.分析化学实验[M].南京：
南京大学出版社，2014.6.
[2]GB/T176-2008，水泥化学分析方法[S].
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