硅酸盐水泥中二氧化硅含量测定

硅酸盐水泥中SiO2，Fe2O3，Al2O3

含量的测定

实

验

报

告

一实验目的：

1、掌握重量法测定水泥中SiO

2

含量的原理及方法。

2、掌握加热蒸发，水浴加热，沉淀过滤，洗涤，碳化，灰化，灼烧等操作技术和要求，掌握控制酸度、温度的方法。

3、学习配位滴定法测定水泥中Fe

2O

3

，Al

2

O

3

等含量的测定原理及方法。

4、学习Fe3+ 、Al3+ 、Cu 2的测量条件、指示剂和掩蔽剂的选择和使用，终点颜

色的变化。

5、掌握络合滴定方法（直接滴定、间接滴定、返滴定）及计算方法。

6、掌握CuSO

4

和EDTA标准溶液的配制与标定及EDTA滴定的原理。

二、仪器药品及试剂配制仪器

仪器：马弗炉、瓷坩埚、干燥器和长短坩埚钳、电子天平、台秤、电炉、水浴锅、250ml容量瓶、移液管（50ml、25ml）、吸耳球、碱式滴定管、250ml锥形瓶、量筒（50ml、10ml）、称量瓶、烧杯、表面皿、蒸发皿、漏斗、漏斗架、平头玻璃棒、胶头滴管、中速定量滤纸、精密PH试纸、洗瓶。

试剂:水泥试样、NH

4Cl、浓硝酸、CaCO

3

固体、EDTA溶液、铜标准溶液、

醋酸-醋酸钠缓冲溶液（PH=4.3）、氨水-氯化铵缓冲液（PH=10）、NH

4

CNS（10%）、HCl溶液（1：1）： 1体积浓盐酸溶于1体积的水中；

HCl溶液（3：97）： 3体积浓盐酸溶于97体积的水中；

氨水（1：1）：1体积浓氨水溶于1体积的水中；

0.05%溴甲酚绿指示剂：将0.05g溴甲酚绿溶于100mL20%乙醇溶液中

10%磺基水杨酸指示剂：将10g磺基水杨酸溶于100mL水中；

0.2%PAN指示剂：称取0.2gPAN溶于100mL乙醇中；

0.1%铬黑T: 称取0.1g 铬黑T溶于75mL三乙醇胺和25mL乙醇中

标准溶液的配制：

a、0.015mol/L CaCO

3溶液的配制：准确称取CaCO

3

基准物0.3864g，置于100mL

烧杯中，用少量水先润湿，盖上表面皿，慢慢逐滴滴加1∶1的HCl ，待其溶解后，用少量水洗表面皿及烧杯内壁，洗涤液一同转入250mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀，定容。

b、0.015mol/L EDTA标准滴定溶液的配制：称取约5.6gEDTA（乙二胺四乙酸钠盐）置于烧杯中，加入约200ml水，加热溶解，过滤，用水稀释至1L.

c、0.015mol/L MgCl

2溶液的配制：称取1.425g MgCl

2

于1L烧杯中，先加水溶解

后加水到刻度。

d、0.015mol/L硫酸铜（MCuSO

4

=160）标准溶液的配制：准确称取2.4g硫酸铜溶于水中，加4到5滴硫酸溶液（1:1），用水稀释至1L。

（2）缓冲溶液的配制

HAc-NaAc缓冲溶液（pH＝4.3）：将42.3g无水乙酸钠溶于水，加80ml冰乙酸，用水稀释至1L，摇匀。

氨水-氯化铵缓冲液（pH=10）：67g NH

4

Cl溶于适量水后，加入520mL浓氨水，稀释至1L。

三、实验原理

（一）SiO

2

含量测定--重量法

水泥熟料主要为硅酸三钙（3CaO?SiO

2）、硅酸二钙（2CaO?SiO

2

）、铝酸

三钙（3CaO?Al

2O

3

）和铁铝酸四钙（4CaO?Al

2

O

3

?Fe

2

O

3

）等化合物的混合物。

水泥熟料中碱性氧化物占60%以上，因此宜采用酸分解。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?SiO

2+4HCl→2CaCl

2

+H

2

SiO

3

+H

2

O

3CaO?SiO

2+6HCl→3CaCl

2

+ H

2

SiO

3

+2H

2

O

3CaO?Al

2O

3

+12HCl→3CaCl

2

+2AlCl

3

+6H

2

O

4CaO?Al

2O

3

?Fe

2

O

3

+20HCl→4CaCl

2

+2AlCl

3

+2FeCl

3

+10H

2

O

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 SiO

2?nH

2

O 表示。在用浓酸和加热蒸干等方法处理后，能使绝大部分硅酸水

溶液脱水成水凝胶析出，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。

本实验采用重量法测定SiO

2

的含量。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100-110℃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 Fe+3、Al+3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SiO

2的结果偏高，而Fe

2

O

3

，Al

2

O

3

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 NH

3·H

2

O 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：

NH

4Cl+ H

2

O→NH

3

·H

2

O +HCl

含水硅酸的组成不固定，故沉淀经过滤、洗涤、烘干后，还需经950-1000℃

高温灼烧成固体成分SiO

2，然后称量，根据沉淀的质量计算SiO

2

的质量分数。

（二）铁含量测定：

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，溶液由紫红色变为淡黄色即为终点。温度以60～70℃为宜，当温度高于75℃时，

Al+3也能与EDTA形成螯合物，使测定Fe+3结果偏高，测定Al+3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。配位滴定中有氢离子产生，

Fe+3+H

2Y

2

-=FeY-+2H+,所以在没有缓冲作用的溶液中，当Fe+3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。

滴定反应：Fe+3+ H

2

Y-2=FeY-+2 H+

黄色

显色反应：Fe+3+ HIn- = FeIn+ + H+

无色紫红色

终点反应：FeIn+ + H

2

Y-2 = FeY- + HIn- + H+

紫红色黄色

（三）铝的测定：

Al+3与EDTA的反应速度慢，所以先加入过量的EDTA，并加热煮沸，使Al+3与EDTA充分反应，然后用CuSO4标准溶液回滴定过量的EDTA。AlY-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CuSO

4

的加入，CuY-2为浅蓝色，因此溶液逐渐由黄色变绿色，在过量的EDTA与Cu+2完全反应

后，继续加入CuSO

4

，Cu+2与PAN形成深红色配合物，由于蓝色CuY-2的存在，终点溶液呈紫色。反应如下：

Al+3+ H

2

Y-2= AlY-+2 H+

无色

Cu+2+ H

2

Y-2= CuY-2+2 H+

蓝色

Cu+2+PAN= Cu-PAN

黄色深红色

（四）EDTA标定：称取准确质量的纯碳酸钙，用1:1HCl溶解，用EDTA溶液滴定钙离子，根据EDTA和钙离子用量计算EDTA浓度。

四、实验步骤

(1) SiO

2

含量测定

1) 准确称取0.4163g试样，置于干燥的50mL烧杯中，加入2.6g固体NH4Cl，用玻璃棒混匀，滴加5mL浓HCl溶液至试样全部润湿，并滴加3滴浓HNO3，搅匀，至全部溶解为黄色溶液无黑点。

2) 盖上表面皿，置于沸水浴上，加热10min至近干（呈粘稠近干米粒状），取下，加热HCl（3:97）约10mL，搅动，以溶解可溶性盐类。

3) 趁热迅速以中速定量滤纸过滤，并不断用热HCl（3:97）洗涤沉淀至滤液

中不含铁离子为止（用NH

4

CNS检验）。

4) 将滤液定量转移至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，低温干燥、炭化并灰化后，于950℃灼烧30min 取下，置于干燥器中冷却至室温，称量。再灼烧、称量，直至

恒重。计算试样中SiO

2

的质量分数。

(2)Mg-Y的配制：

1)用25ml移液管准确移取MgCl

2

溶液于300ml锥形瓶中，加适量水至50ml，

加5ml NH

3-NH

4

Cl缓冲溶液，滴加2-3滴铬黑T指示剂，振荡摇匀。

2)用0.015 mol/L的EDTA溶液滴定至溶液突变至蓝色，记录消耗EDTA溶液体积。

3)平行重复三次，测得Mg+2-EDTA的体积比。

4)按照测定的体积比，配制Mg+2-EDTA溶液。

(3)0.015mol/L EDTA标准溶液滴定的标定：

移取25.00mLCa标准溶液于250mL锥形瓶中，加入20mL去离子水，2mlMgY溶液，5ml氨性缓冲溶液，加3滴EBT指示剂。用EDTA溶液滴定至溶液由酒红变为蓝色，30秒内不退色，即为终点。平行标定三次，计算EDTA溶液的准确浓度。（4）K值得测定：

1)从滴定管缓慢放出10-15mL C(EDTA )=0.015mol/L EDTA标准溶液于

250mL锥形瓶中，放置半分钟至一分钟，记录所放EDTA标准溶液的

体积为V

1

，加水稀释至100ml。

2)加入约15mLpH=4.3的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，加热煮沸1-2min，取

下冷却至90℃，加4滴2%PAN指示剂，以CuSO

4

标准溶液滴定至突变为紫色。

3)记录消耗CuSO

4标准溶液的体积V

2

，平行测定3次，计算K值。

K= V

1/ V

2

(5)Fe含量的测定

1)移取50ml滤液于250ml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调节溶液酸度至黄色后继续过量3滴，此时溶液酸度

约为PH=2

4)置于70℃水浴中加热10min，取下

5)加6-8滴磺基水杨酸，趁热用0.015mol/L EDTA标准溶液滴定至溶

液由紫红色变为淡黄色即为终点，记录EDTA消耗体积，

6)平行测定三次，求Fe

2O

3

的平均含量。

(6)Al3+含量的测定：

1)在滴定铁含量后的溶液中，从滴定管中放入约20ml EDTA标准溶液，

摇匀，记录所放EDTA标准溶液的体积，

2)加15mlpH=4.3的HAc-NaAc缓冲溶液，以精密PH试纸检查。煮沸1-2

min，取下，冷却至90℃，加入4滴0.2%PAN指示剂，以0.015mol/L

CuSO

4标准溶液滴定至突变为紫红色。记录CuSO

4

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Al

2O

3

的平均含量。

五、数据记录与处理

1、SiO

2

含量测定：

SiO 2含量测定的实验数据及处理结果

名称 m 0（样品）/g m 1（坩埚+ SiO2）/g

m 2（坩埚）/g m （SiO2）/g

质量 0.4163

37.1505

37.0698

0.0807

W （SiO 2） 19.38%

计算公式：W （SiO 2）=

%1000

2

1?-m m m =

%1004163

.00698

.371505.37?- = 19.38%

即，SiO 2含量为19.38% 2、EDTA 浓度标定

EDTA 浓度标定数据处理结果

项目＼组数 1 2 3

m(CaCO 3)/g 0.3864 V(EDTA)/ml 31.71 31.65 31.90 C （EDTA ）/(mol/L) 0.01217

0.01220 0.01210

C 平均(EDTA)/(mol/L) 0.01216 C 标准(EDTA)/(mol/L)

0.01221 误差 -0.00005 相对误差

-0.41%

计算公式： M CaCO 3=100.09g/mol

C(EDTA)=

EDTA

CaCO CaCO V M 101000

m 33???

本组标定得到C 平均(EDTA ）= 0.01216 mol/L 经与其他组平均得到C 标准(EDTA)= 0.01221 mol/L 误差= C 平均(EDTA ）- C 标准(EDTA) = -0.00005 相对误差 =[ 误差/ C 标准(EDTA)] ? 100% = -0.41% 3、K 值的测定

有关实验数据及处理结果：

名称\次数 1 2 3

V

1 (EDTA)/ml

12.40 13.56 12.16

V

2 (CuSO

4

)/ml

17.10 18.90 17.01

K 0.7251 0.7175 0.7149

K

平均0.7192

C(CuSO

4)/mol/L

0.008781

计算公式;： K=V

1(EDTA)/ V

2

(CuSO

4

)

C(CuSO

4)= C

标准

(EDTA) ?K

= 0.01221 ? 0.7192 = 0.008781 mol/L

4、Fe

2O

3

的含量测定

有关实验数据及处理结果

名称＼组号 1 2 3

V（滤液）/ml 50.00 50.00 50.00 V（EDTA）/ml 3.96 3.94 3.80 C（EDTA）/ mol/L 0.01221

M(Fe

2

O

3

)/（g/mol）156.69

m(Fe

2

O

3

)/g 0.01894 0.01884 0.01818

m

平均

(Fe

2

O

3

)/g 0.01865

m(样品)/g 0.4163

W%( Fe

2

O

3

) 4.48

计算公式：

m(Fe

2O

3

)= 3

3

2

10

50

250

)

(

)

(

)

(

5

.

0-

?

?

?

?O

Fe

M

EDTA

V

EDTA

C

W = %

100

)

(

样品

3

2?

m

O

Fe

m

5、Al

2O

3

含量测定：

有关实验数据及处理结果

名称＼组号 1 2 3

V（滤液）/ml 50．00 50．00 50.00 V（EDTA）/ml 20.28 20.90 20.33 C（EDTA）/（mol/L）0.01221

V(CuSO

4

)/ml 20.01 20.99 20.82

C(CuSO

4

)/mol/L 0.008781

M(Al

2O

3

)/g/mol 101.96

m(Al

2O

3

)/g 0.01833 0.01807 0.01667

m

平均(Al

2

O

3

)/g 0.01769

m(样品)/g 0．4163

W Al

2O

3

% 4.25

计算公式：

m(Al

2O

3

) =3

10

50

250

)

(5

.

3

2

4

4

-

?

?

?

?

-

?

O

Al

CuSO

CuSO

EDTA

EDTA

M

V

C

V

C

W = %

100

)

(

样品

3

2?

m

O

Al

m

全部实验数据结果表

SiO

2

Fe

2

O

3

Al

2

O

3

W % 19.38 4.48 4.25

六、结果评价与讨论

1、实验中存在仪器误差、测量误差、操作误差等，通过对实验结果进行分析，可以看出，某些实验数据的偏差较大，说明数据精密性不好，可能原因：（1）由于外部环境变化带来的随机误差的影响；（3）溶液的滴定、加热等操作不是随处理随做，事先准备好的溶液可能与空气中的水、氧气、二氧化碳等发生作用，产生误差。

2、实验中应注意问题：（1）滴定Al及测K值时采用PAN指示剂，由于PAN 与EDTA的络合物的水溶性较差，因此应趁热滴定，温度降低使反应速度放慢，滴定终点判断不准确，可能会出现反终点现象，因此加热至沸1-2min后趁热滴定。（2）滴定Fe时，必须注意温度和酸度，温度低、酸度大，Fe络合不完全，结果偏低；温度高、酸度小，Al 易络合产生干扰，使Fe的结果偏高。测定Fe 时温度应控制在60-70℃， pH约为 2.0-2.5，以减小Al的干扰。（3）指示剂的用量也会影响滴定结果的准确性，用量太多会影响滴定终点的判断。（4）严格控制硅酸脱水的温度和时间。脱水温度控制在100-110℃，若温度过高，溶液中的Al+

3、Fe+3等离子易水解生成难溶于性碱式盐，混在硅酸凝胶中使SiO

结

2

果偏高，而Al+3、Fe+3等的含量偏低。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，使SiO

结果偏低。

2

七、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？

使绝大部分硅酸水溶液脱水成水凝胶析出

脱水温度控制在100-110℃进行。超过110℃时，溶液中的Fe+3、Al+3等离

的结果偏高，而Fe+3、Al+3子易水解生成难溶性碱式盐混在硅酸凝胶中，使SiO

2

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？

洗涤完全，洗涤后沉淀中应不含Fe+3,玻璃棒及烧杯应擦拭干净，以防影响结果。

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，直接高温将导致测定结果不准确；使滤纸灰化。

4、Fe+3、Al+3共存，以EDTA标准溶液分别滴定时，是怎样消除共存离子干扰的？

滴定Fe+3，严格控制温度和酸度，并且，接近终点时，滴定速度放慢，以防EDTA多加，使Al+3络合形成干扰。

滴定Al+3，是在滴定铁含量后的溶液中进行的。

5、滴定上述离子时，溶液酸度应分别控制在什么范围内，怎样控制？

滴定铝时，控制PH约为3.5。溶液PH较低时，Al+3与EDTA的配位反应不能完全进行，而较高时Al+3会有较大的水解倾向，故滴定时应调适到最适宜PH来

提高测定结果的准确性。加入PH=4.3的HAc-NaAc缓冲溶液控制。

滴定铁时，控制酸度在2-2.5之间，PH低于2时，会产生酸效应，PH高于2.5时，Fe+3会水解。通过加入1:1的HCl调节溶液酸度。