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
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