1、武漢工程大學綜合實驗報告硅酸鹽水泥中的SiO2，Fe2O3，Al2O3，CaO和MgO含量的測定摘 要 硅酸是一種很弱的無機酸，在水溶液中絕大部分以溶膠狀態存在在用濃酸和加熱蒸干等方法處理后，能使絕大部分硅酸水溶膠脫水成水凝膠析出，因此可以利用沉淀分離的方法把硅酸與水泥中的鐵、鋁、鈣、鎂等其他組分分開重量法測定 SiO2 的含量，Fe2O3 、Al2O3 、CaO和 MgO的含量以EDTA配位滴定法測定。關鍵詞： SiO2、 Fe2O3 、Al2O3 、CaO和 MgO、EDTAAbstractSilicate is a weak inorganic acid , it exists in a

2、queous solution in most in the form of the gel .When heated with concentrated acid and evvaporated ,dehydration can make most of the acid water sol gel precipition into water . Therefore,the method can be used to precipition of iron silicate and cement ,aluminum,calcium and other components separate

3、ly from the content of the weight determination of SiO2,Fe2O3,Al2O3,CaO,and MgO content of the weight determination of SiO2,Fe2O3,Al2O3,CaO,and MgO content of the EDTA titrimetric method.Keywords: SiO2, Fe2O3, Al2O3, CaO and MgO, EDTA目 錄硅酸鹽水泥中的SiO2，Fe2O3，Al2O3，CaO和MgO含量的測定II摘 要IIAbstractII前言11.實驗目的2

4、1.1 學習復雜物質分析的方法21.2 掌握尿素均勻沉淀法的分離技術22. 實驗原理22.1 硅酸鹽水泥中SiO2含量測定原理22.2 Fe2O3的測定原理32.3 Al2O3的測定原理32.4 硅酸鹽水泥中CaO和MgO的測定原理43.主要試劑和儀器43.3 指示劑43.4緩沖溶液43.5 其他試劑53.6 實驗儀器54. 實驗步驟（本組此次實驗用的是4號試樣）54.1 EDTA溶液的標定54.2 的測定54.3 ， ，CaO，MgO的測定64.3.1 溶樣64.3.2 和含量的測定64.3.3 CaO和MgO含量的測定75.結果與討論85.1 EDTA溶液的標定85.2 含量的計算95.3

5、含量的計算105.4 含量的計算115.5 CaO的含量計算125.6 MgO的含量計算135.7 結果討論與誤差分析136. 結 論15參考文獻1617前言 水泥主要由硅酸鹽組成。按我國規定，分成硅酸鹽水泥（熟料水泥），普通硅酸鹽水泥（普通水泥），礦渣硅酸鹽水泥（礦渣水泥），火山灰質硅酸鹽水泥（火山灰水泥），粉煤灰硅酸鹽水泥（煤灰水泥）等。水泥熟料是由水泥生料經1400以上 高溫煅燒而成。硅酸鹽水泥由水泥熟料加入適量石膏而成，其成分與水泥熟料相似，可按水泥熟料化學分析法進行測定。硅酸鹽水泥熟料主要由氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）和氧化鐵（Fe2O3簡寫為F）四種

6、氧化物組成。 通常這四種氧化物總量在熟料中占95以上。每種氧化物含量雖然不是固定不變，但其含量變化范圍很小，水泥熟料中除了上述四種主要氧化物以外，還有含量不到5的其他少量氧化物，如氧化鎂(MgO)、氧化鈦(Ti02)、三氧化硫(S03)等。 水泥熟料中堿性氧化物占60%以上，因此宜采用酸分解。水泥熟料主要為硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）等化合物的混合物。這些化合物與鹽酸作用時，生成硅酸和可溶性的氯化物，反應式如下：2CaO·

7、;SiO2+4HCl2CaCl2+H2 SiO3+H2O3CaO·SiO2+6HCl3 CaCl2+H2 SiO3+H2O 3CaO·Al2O3+12HCl3 CaCl2+2AlCl3+6H2O 4CaO·Al2O3·Fe2O3+20HClCaCl2+AlCl3+2FeCl3+H2O硅酸是一種很弱的無機酸，在水溶液中絕大部分以溶膠狀態存在，其化學式以SiO2·nH2O表示。在用濃酸和加熱蒸干等方法處理后，能使絕大部分硅膠脫水成水凝膠析出，因此可利用沉淀分離的方法把硅酸與水泥中的鐵、鋁、鈣、鎂等其他組分分開。水泥中的鐵、鋁、鈣、鎂等組分以Fe3+

8、、Al3+、Mg2+離子形式存在于過濾SiO2沉淀后的濾液中，它們都與EDTA形成穩定的絡離子。但這些絡離子的穩定性有顯著的差別，因此只要控制適當的酸度，就可用EDTA分別滴定它們。1.實驗目的1.1 學習復雜物質分析的方法1.2 掌握尿素均勻沉淀法的分離技術2. 實驗原理2.1 硅酸鹽水泥中SiO2含量測定原理 SiO2的測定可分成容量法和重量法。本實驗采用重量法測定其含量。重量法又因使硅酸凝聚所用物質的不同分為鹽酸干固法、動物膠法、氯化銨法等，本實驗采用氯化銨法。在水泥經酸分解后的溶液中，采用加熱蒸發近干和加固體氯化銨兩種措施，使水溶性膠狀硅酸盡可能全部脫水析出。蒸干脫水是將溶液控制在10

9、0左右下進行。由于HCl的蒸發，硅酸中所含的水分大部分被帶走，硅酸水溶膠即成為水凝膠析出。由于溶液中的Fe3+、Al3+等離子在溫度超過110時易水解生成難溶性的堿式鹽而混在硅酸凝膠中，這樣將使SiO2的結果偏高，而Fe2O3，Al2O3等的結果偏低，故加熱蒸干宜采用水浴以嚴格控制溫度。加入固體氯化銨后由于氯化銨易離解生成NH3·H2O和HCl，加熱時它們易于揮發逸去，從而消耗了水，因此能促進硅酸水溶膠的脫水作用，反應式如下：NH4Cl+H2ONH3.H2O+HCl含水硅酸的組成不固定，故沉淀經過過濾、洗滌、烘干后，還需經950-1000高溫灼燒成固體成分SiO2，然后稱量，根據沉淀

10、的質量計算SiO2的質量分數。灼燒時，硅酸凝膠不僅失去吸附水，并進一步失去結合水，灼燒所得的SiO2沉淀是雪白而又疏松的粉末。如所得沉淀呈灰色，黃色或紅棕色，說明沉淀不純。由于鐵、鋁與都能與EDTA形成穩定的絡合物，而且生成的絡合物穩定常數相差很大（lgK FeY=25.13，lgK AlY=16.17），因此可以利用控制溶液的酸度的不同在同一溶液中進行連續滴定來分別測定鐵、鋁的含量。2.2 Fe2O3的測定原理 控制酸度為pH=2-2.5。試驗表明，溶液酸度控制得不當對測定鐵的結果影響很大。在pH=1.5時，結果偏低；pH>3時，Fe3+離子開始形成紅棕色氫氧化物，往往無滴定終點，共存

11、的Ti和Al3+離子的影響也顯著增加。滴定時以磺基水楊酸為指示劑，它與Fe3+離子形成的絡合物的顏色與溶液酸度有關，pH=1.22.5時，絡合物呈紅紫色。由于Fe3+磺基水楊酸絡合物不及Fe3+EDTA絡合物穩定，所以臨近終點時加入的EDTA便會奪取Fe3+磺基水楊酸絡合物中的Fe3+離子，使磺基水楊酸游離出來，因而溶液有紅紫色變為微黃色，即為終點。磺基水楊酸在水溶液中是無色的，但由于Fe3+EDTA絡合物是黃色的，所以終點時由紅紫色變為黃色。測定時溶液的溫度以6075為宜，當溫度高于75，并有Al3+離子存在時，Al3+離子可能與EDTA絡合，使Fe2O3的測定結果騙高，而使得Al2O3的結

12、果偏低。當溫度低于50時，則反應速度緩慢，不易得出準確的終點。（適用于Fe2O3含量不超過30mg）。2.3 Al2O3的測定原理 以PAN為指示劑的銅鹽回滴法是普遍采用的一種測定鋁的方法。因為Al3+離子與EDTA的絡合作用進行得較慢，所以一般先加入過量的EDTA溶液，并加熱煮沸，使Al3+離子與EDTA充分絡合，然后用CuSO4標準溶液回滴過量的EDTA。Al-EDTA絡合物是無色的，PAN指示劑在pH為4.3的條件下是黃色的，所以滴定開始前溶液呈黃色。隨著CuSO4標準溶液的加入，Cu離子不斷與過量的EDTA絡合，由于Cu-EDTA是淡蘭色的，因此溶液逐漸有黃色變綠色。在過量的EDTA與

13、Cu離子完全絡合后，繼續加入CuSO4，過量的Cu離子即與PAN絡合成深紅色絡合物，由于蘭色的Cu-EDTA的存在，所以終點呈紫色。滴定過程中的主要反應如下：Al3+H2Y2AlY-(無色)+2H+ H2Y2-+Cu2+CuY2-(蘭色)+2H+ - Cu2+PAN（黃色）Cu-PAN(深紅色)這里需要注意的是，溶液中存在三種有色物質，而它們的含量又在不斷變化之中，因此溶液的顏色特別是終點時的變化就較復雜，決定于Cu-EDTA、PAN和Cu-PAN的相對含量和濃度。滴定終點是否敏銳的關鍵是蘭色的Cu-EDTA濃度的大小，終點時Cu-EDTA的量等于加入的過量的EDTA的量。一般來說，在100m

14、L溶液中加入的EDTA標準溶液（濃度在0.015mol/L附近的）,以過量10mL左右為宜。2.4 硅酸鹽水泥中CaO和MgO的測定原理 在測定中，Fe，Al含量高時，對Ca2+，Mg2+測定有干擾。因此，要把它們分離出來之后再進行鈣，鎂的測定。用尿素分離Fe，Al后，Ca2+，Mg2+是以GBHA或鉻黑T為指示劑，用EDTA絡合滴定法測定。若試樣中含Ti時，則CuSO4回滴法所測得的實際上是Al，Ti含量。若要測定TiO2的含量可加入苦杏仁酸解蔽劑，TiY可成為Ti4+，再用標準CuSO4滴定釋放的EDTA。如Ti含量較低時可用比色法測定。3.主要試劑和儀器3.1 EDTA溶液 0.02mo

15、l·L-1 在臺秤上稱取4g EDTA，加100mL 水溶解后，轉移至塑料瓶中，稀釋至500mL，搖勻。待標定。3.2 標準溶液 0.02mol·L-1 準確稱取1.25g 分析純五水硫酸銅，加入適量蒸餾水溶解，待完全溶解后轉入250mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。3.3 指示劑 溴甲酚綠 1g·L-1 20%乙醇溶液； 磺基水楊酸鈉 100 g·L-1；PAN 3 g·L-1 乙醇溶液；鉻黑T 1 g·L-1 稱取0.1g 鉻黑T溶于75mL三乙醇胺和25mL乙醇中；GBHA 0.4 g·L-1 乙醇溶液。3.4緩沖溶

16、液氯乙酸-醋酸銨緩沖液（pH=2）850mL 0.1 mol·L-1氯乙酸與85mL 0.1 mol·L-1NH4Ac混勻；氯乙酸-醋酸鈉緩沖液（pH=3.5）250mL 2 mol·L-1氯乙酸與500mL 1 mol·L-1NaAc混勻；NaOH強堿緩沖液（pH=12.6）10g NaOH與10g Na2B4O7·10H2O（硼砂）溶于適量水后，稀釋至1L；氨水-氯化銨緩沖液（pH=10）67g NH4Cl溶于適量水后，加入520mL濃氨水，稀釋至1L。3.5 其他試劑NH4Cl（固體）； 氨水（1+1）；NaOH溶液 200 g·

17、;L-1； HCl溶液 濃，6 mol·L-1，2 mol·L-1；尿素 500 g·L-1水溶液； HNO3 濃；NH4F 200 g·L-1； AgNO3 0.1 mol·L-1；NH4NO3 10 g·L-1。3.6 實驗儀器馬弗爐，瓷坩堝，干燥器，長、短坩堝鉗，酸、堿式滴定管，燒杯，容量瓶，錐形瓶和滴管等。4. 實驗步驟（本組此次實驗用的是4號試樣）4.1 EDTA溶液的標定用移液管準確移取10mL標準溶液，加入5mL pH=3.5的緩沖溶液和35mL水，加熱至80后，加入4滴PAN指示劑，趁熱用EDTA滴定至由紅色變為綠色，

18、即為終點，記下消耗EDTA溶液的體積。平行3次。計算EDTA濃度。4.2 的測定恒重法準確稱取0.4g試樣，置于干燥的50mL燒杯中，加入2.53g固體NH4Cl，用玻璃棒混勻 ， 滴加濃HCl溶液至試樣全部潤濕（一般約需2mL），并滴加23滴濃HNO3，攪勻。小心壓碎塊狀物 ，蓋上表面皿，置于沸水浴上，加熱10min，加熱水約40mL，攪動，以溶解可溶性鹽類。過濾，用熱水洗滌燒杯和沉淀，直至濾液中無Cl-反應為止（用AgNO3檢驗）棄去濾液 。將沉淀連同濾紙放入已恒重的瓷坩堝中，低溫干燥、炭化并灰化后 ，950灼燒30min取下，置于干燥器中冷卻至室溫，稱量。再灼燒、稱量，直至恒重。計算試樣

19、中SiO2的質量分數。4.3 ， ，CaO，MgO的測定4.3.1 溶樣準確稱取約2g水泥試樣于250mL燒杯中，加入8g NH4Cl，用一端平頭的玻璃棒壓碎塊狀物，仔細攪拌20min。加入12mL濃HCl溶液，使試樣全部潤濕，再滴加濃HNO348滴，攪勻，蓋上表面皿，置于已預熱的沙浴上加熱2030min，直至無黑色或灰色的小顆粒為止。取下燒杯，稍冷后加熱水40mL，攪拌使鹽類溶解。冷卻后，連同沉淀一起轉移到500mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻后放置12h，使其澄清。然后用潔凈干燥的虹吸管吸取溶 液于潔凈干燥的400mL燒杯中保存，作為測定Fe，Al，Ca，Mg等元素之用。4.3.2 和含

20、量的測定 準確移取25mL試液于250mL錐形瓶中，加入10滴磺基水楊酸、10mL pH=2的緩沖溶液，將溶液加熱至70，用EDTA（稀釋了十倍）標 準溶液緩慢地滴定至由酒紅色變為無色（終點時溶液溫度應在60左右），記下消耗的EDTA體積 。平行滴定3次。 計算Fe2O3含量：這里，ms為實際滴定的每份試樣質量。于滴定鐵后的溶液中，加入1滴溴甲酚綠，用（1+1）氨水調至黃綠色，然后，加入15.00mL過量的EDTA標準溶液，加熱煮沸1min，加入10mL pH=3.5的緩沖溶液，13滴PAN指示劑，用銅標準溶液滴至茶紅色即為終點。記下消耗的銅標準溶液的體積。平行滴定3份。計算Al2O3含量：4

21、.3.3 CaO和MgO含量的測定 由于Fe3+，Al3+干擾Ca2+，Mg2+的測定，須將它們預先分離。為此，取試液100mL于200mL燒杯中，滴入（1+1）氨水至紅棕色沉淀生成時 ，再滴入2 mol·L-1HCl溶液使沉淀剛好溶解。然后加入25mL尿素溶液，加熱約20min，不斷攪拌，使Fe3+，Al3+完全沉淀，趁熱過濾，濾液用250mL燒杯承接，用1%NH4NO3熱水洗滌沉淀至無Cl-為止（用AgNO3溶液檢查）。濾液冷卻后轉移至250mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻。濾液用于測定Ca2+，Mg2+。 用移液管移取25mL試液于250mL錐形瓶中，加12滴GBHA指示劑，滴加

22、200 g·L-1NaOH使溶液變為微紅色后，加入10mL pH=12.6的緩沖液和20mL水，用EDTA標準溶液滴至由紅色變為亮黃色，即為終點。記下消耗EDTA標準溶液的體積。平行測定3次。計算的含量CaO。在測定CaO后的溶液中，滴加2 mol·L-1HCl溶液至溶液黃色褪去，此時pH約為10，加入15mL pH=10的氨緩沖液，9滴鉻黑T指示劑 ，用EDTA標準溶液滴至由紅色變為純藍色，即為終點。記下消耗EDTA標準溶液體積。平行測定3次。計算MgO的含量。5.結果與討論5.1 EDTA溶液的標定次數 數數據項目1123標準溶液/mL101010 標準溶液 /mL9.

23、109.129.09 /0.022000.021950.02202/0.02199/0.00001-0.000040.00003/0.000027/%0.12= 的數值為1.2512/250=0.0050048 = = =0.12%<0.2%誤差較小5.2 含量的計算本次操作只做了兩次,次數 數據項目112試樣的質量 / g0.41030.4008的凈質量/ g0.08700.0780的含量/ %21.2019.46的平均含量 / %20.33偏差/%0.87-0.87平均偏差/%0.87相對平均偏差/%4.28 = = =4.28%>0.2%誤差很大次數 5.3含量的計算數據項目

24、1123/mL252525 /mL11.9912.0112.02/%2.10082.10432.1060/%2.1037/%-0.00290.00060.0023/%0.0019/%0.09 = = =0.09%<0.2%誤差較小5.4 含量的計算次數 數據項目1123 /mL252525/mL10.0510.0710.04 /%6.55506.53466.5652/%6.5516/%0.0034-0.01700.0136/%0.0113/%0.17 = = =0.17%<0.2%誤差較小次數 5.5 CaO的含量計算數據項目1123 /mL252525 /mL 20.1920.2

25、020.18 /%62.115362.146062.0845 /%62.1153/%0.00000.0307-0.0308/%0.0205/%0.03 = = =0.03%<0.2%誤差較小5.6 MgO的含量計算次數 數數據項目1123 /mL252525 /mL 1.741.761.75 /%3.84783.89213.8699 /%3.8699<4.5/%-0.02210.02220.0000/%0.0148/%0.38 = = =0.38%>0.2%誤差較大5.7 結果討論與誤差分析測定結果與國標的比較參考武漢大學的分析化學實驗中的方法，測得4號水泥試樣的成分含量如下

26、表所示：待測物 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO質量分數（%） 20.332.10376.551662.1153 3.8699從GB/T 21372-2008 即硅酸鹽水泥熟料中查得普通水泥中各成分含量如下：化學成分 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO （CaO& SiO2） CaO/SiO2質分范圍（%） 2024 35 47 6368 <4.5 66% >2%比較可看出，實驗測得的SiO2 含量為20.33%，在普通水泥標準范圍內，Fe2O3 含量為2.1037%，CaO含量為62.1153%，均不在普通水泥標準范圍內，結果都偏小，這是由于

27、實驗過程中存在誤差。Al2O3 含量為6.5516%，MgO為3.8699%，都在標準范圍之內。且國標要求CaO和SiO2 質量分數之和大于或等于66%，我們測得的為82.4453%，與國標相符，且二者之比大于等于2%，我們測得的為3.0553%，與其相符。上述比較表明我們的實驗結果可信度還行。并且，由于缺乏本次所測水泥試樣成分的準確含量數據，故無法知道本次實驗的相對誤差。誤差分析1. 二氧化硅含量測定誤差來源 a.水泥中存在不溶物，灼燒至恒重時會使二氧化硅含量偏高； b.原試液中硅酸沉淀不充分，會致使測得的二氧化硅含量偏低； c.研磨水泥樣品的時間不充分或者研磨方式不規范都會對測定產生影響； d.灼燒不夠充分會使二氧化硅的含量偏高2. 三氧化二鐵含量測定誤差來源樣品溶解不夠充分；樣品中含有亞鐵離子，且溶解過程中可能也有亞鐵離子的產生，在氧化不夠充分的條件下，亞鐵離子、三價鐵離子、鋁離子以及EDTA的絡合常數各不相同，Fe和Al是在嚴格控制