硅酸盐水泥的分析实验报告

硅酸盐水泥的分析实验
报告
Document serial number【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】
硅酸盐水泥中的SiO2，Fe2O3，Al2O3，CaO 和M g O含量的测定
摘要
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、镁等其他组分分开重量法测定 SiO2 的含量，
Fe2O3 、Al2O3 、CaO和 MgO的含量以EDTA配位滴定法测定。

关键词：SiO2、 Fe2O3 、Al2O3 、CaO和 MgO、EDTA
Abstract
Silicate is a weak inorganic acid , it exists in aqueous 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 separately 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
目录
前言
水泥主要由硅酸盐组成。

按我国规定，分成硅酸盐水泥（熟料水泥），普通硅酸盐水泥（普通水泥），矿渣硅酸盐水泥（矿渣水泥），火山灰质硅酸盐水泥（火山灰水泥），粉煤灰硅酸盐水泥（煤灰水泥）等。

水泥熟料是由水泥生料经1400℃以上高温煅烧而成。

硅酸盐水泥由水泥熟料加入适量石膏而成，其成分与水泥熟料相似，可按水泥熟料化学分析法进行测定。

硅酸盐水泥熟料主要由氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化铝
（Al2O3）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(MgO)、氧化钛(Ti02)、三氧化硫(S03)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（3CaO·Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO·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：
2CaO·SiO2+4HCl→2CaCl2+H2 SiO3+H2O
3CaO·SiO2+6HCl→3 CaCl2+H2 SiO3+H2O
3CaO·Al2O3+12HCl→3 CaCl2+2AlCl3+6H2O
4CaO·Al2O3·Fe2O3+20HCl→CaCl2+AlCl3+2FeCl3+H2O
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。

水泥中的铁、铝、钙、镁等组分以Fe3+、Al3+、Mg2+离子形式存在于过滤
沉淀后的滤液中，它们都与EDTA形成稳定的络离子。

但这些络离子的稳定SiO
2
性有显着的差别，因此只要控制适当的酸度，就可用EDTA分别滴定它们。

1.实验目的
学习复杂物质分析的方法
掌握尿素均匀沉淀法的分离技术
2. 实验原理
硅酸盐水泥中SiO2含量测定原理
SiO2的测定可分成容量法和重量法。

本实验采用重量法测定其含量。

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→+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SiO
2，然后称量，根据沉淀的质量计算SiO
2
的质量
分数。

灼烧时，硅酸凝胶不仅失去吸附水，并进一步失去结合水，灼烧所得的SiO2沉淀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。

由于铁、铝与都能与EDTA形成稳定的络合物，而且生成的络合物稳定常数相差很大（lgK FeY=，lgK AlY=），因此可以利用控制溶液的酸度的不同在同一溶液中进行连续滴定来分别测定铁、铝的含量。

Fe2O3的测定原理
控制酸度为pH=。

试验表明，溶液酸度控制得不当对测定铁的结果影响很大。

在pH=时，结果偏低；pH>3时，Fe3+离子开始形成红棕色氢氧化物，往往无滴定终点，共存的Ti和Al3+离子的影响也显着增加。

滴定时以磺基水杨酸为指示剂，它与Fe3+离子形成的络合物的颜色与溶液酸度有关，pH=～时，络合物呈红紫色。

由于Fe3+—磺基水杨酸络合物不及
Fe3+—EDTA络合物稳定，所以临近终点时加入的EDTA便会夺取Fe3+—磺基水杨酸络合物中的Fe3+离子，使磺基水杨酸游离出来，因而溶液有红紫色变为微黄色，即为终点。

磺基水杨酸在水溶液中是无色的，但由于Fe3+—EDTA络合物是黄色的，所以终点时由红紫色变为黄色。

测定时溶液的温度以60～75℃为宜，当温度高于75℃，并有Al3+离子存在时，Al3+离子可能与EDTA络合，使Fe2O3的测定结果骗高，而使得Al2O3的结果偏低。

当温度低于50℃时，则反应速度缓慢，不易得出准确的终点。

（适用于
Fe
2O
3
含量不超过30mg）。

Al2O3的测定原理
以PAN为指示剂的铜盐回滴法是普遍采用的一种测定铝的方法。

因为Al3+离子与EDTA的络合作用进行得较慢，所以一般先加入过量的EDTA 溶液，并加热煮沸，使Al3+离子与EDTA充分络合，然后用CuSO4标准溶液回滴过量的EDTA。

Al-EDTA络合物是无色的，PAN指示剂在pH为的条件下是黄色的，所以滴定开始前溶液呈黄色。

随着CuSO4标准溶液的加入，Cu离子不断与过量的EDTA 络合，由于Cu-EDTA是淡兰色的，因此溶液逐渐有黄色变绿色。

在过量的EDTA 与Cu离子完全络合后，继续加入CuSO4，过量的Cu离子即与PAN络合成深红色络合物，由于兰色的Cu-EDTA的存在，所以终点呈紫色。

滴定过程中的主要反应如下：
Al3++H2Y2→→AlY-(无色)+2H+
H2Y2-+Cu2+→CuY2-(兰色)+2H+ -
Cu2++PAN（黄色）→Cu-PAN(深红色)
这里需要注意的是，溶液中存在三种有色物质，而它们的含量又在不断变化之中，因此溶液的颜色特别是终点时的变化就较复杂，决定于Cu-EDTA、PAN 和Cu-PAN的相对含量和浓度。

滴定终点是否敏锐的关键是兰色的Cu-EDTA浓度的大小，终点时Cu-EDTA的量等于加入的过量的EDTA的量。

一般来说，在
100mL溶液中加入的EDTA标准溶液（浓度在L附近的）,以过量10mL左右为宜。

硅酸盐水泥中CaO和MgO的测定原理
在测定中，Fe，Al含量高时，对Ca2+，Mg2+测定有干扰。

因此，要把它们分离出来之后再进行钙，镁的测定。

用尿素分离Fe，Al后，Ca2+，Mg2+是以GBHA或铬黑T为指示剂，用EDTA络合滴定法测定。

若试样中含Ti时，则CuSO4回滴法所测得的实际上是Al，Ti含量。

若要测定TiO2的含量可加入苦杏仁酸解蔽剂，TiY可成为Ti4+，再用标准CuSO4滴定释放的EDTA。

如Ti含量较低时可用比色法测定。

3.主要试剂和仪器
EDTA溶液·L-1 在台秤上称取4g EDTA，加100mL 水溶解后，转移至塑料瓶中，稀释至500mL，摇匀。

待标定。

CuSO标准溶液·L-1 准确称取1.25g 分析纯五水硫酸铜，加入适量蒸馏水溶4
解，待完全溶解后转入250mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。

指示剂
溴甲酚绿 1g·L-1 20%乙醇溶液；
磺基水杨酸钠 100 g·L-1；
PAN 3 g·L-1乙醇溶液；
铬黑T 1 g·L-1称取0.1g 铬黑T溶于75mL三乙醇胺和25mL乙醇中；
GBHA 0.4 g·L-1乙醇溶液。

缓冲溶液
氯乙酸-醋酸铵缓冲液（pH=2）850mL mol·L-1氯乙酸与85mL mol·L-1NH4Ac 混匀；
氯乙酸-醋酸钠缓冲液（pH=）250mL 2 mol·L-1氯乙酸与500mL 1 mol·L-
1NaAc混匀；
NaOH强碱缓冲液（pH=）10g NaOH与10g Na2B4O7·10H2O（硼砂）溶于适量水后，稀释至1L；
氨水-氯化铵缓冲液（pH=10）67g NH4Cl溶于适量水后，加入520mL浓氨水，稀释至1L。

其他试剂
NH4Cl（固体）；氨水（1+1）；
NaOH溶液 200 g·L-1； HCl溶液浓，6 mol·L-1，2 mol·L-1；
尿素 500 g·L-1水溶液； HNO3浓；
NH4F 200 g·L-1； AgNO3 mol·L-1；
NH4NO3 10 g·L-1。

实验仪器
马弗炉，瓷坩埚，干燥器，长、短坩埚钳，酸、碱式滴定管，烧杯，容量瓶，锥形瓶和滴管等。

4. 实验步骤（本组此次实验用的是4号试样）
EDTA溶液的标定
CuSO标准溶液，加入5mL pH=的缓冲溶液和35mL 用移液管准确移取10mL
4
水，加热至80℃后，加入4滴PAN指示剂，趁热用EDTA滴定至由红色变为绿色，即为终点，记下消耗EDTA溶液的体积。

平行3次。

计算EDTA浓度。

SiO的测定
2
恒重法
准确称取0.4g试样，置于干燥的50mL烧杯中，加入~3g固体NH4Cl，用玻璃棒混匀，滴加浓HCl溶液至试样全部润湿（一般约需2mL），并滴加2~3滴浓HNO3，搅匀。

小心压碎块状物，盖上表面皿，置于沸水浴上，加热10min，加热水约40mL，搅动，以溶解可溶性盐类。

过滤，用热水洗涤烧杯和沉淀，直至滤液中无Cl-反应为止（用AgNO3检验）弃去滤液。

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 ，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。

3
2e O F ，
3
2l O A ，CaO ，MgO 的测定
4.3.1 溶样
准确称取约2g 水泥试样于250mL 烧杯中，加入8g NH 4Cl ，用一端平头的玻璃棒压碎块状物，仔细搅拌20min 。

加入12mL 浓HCl 溶液，使试样全部润湿，再滴加浓HNO 34~8滴，搅匀，盖上表面皿，置于已预热的沙浴上加热
20~30min ，直至无黑色或灰色的小颗粒为止。

取下烧杯，稍冷后加热水40mL ，搅拌使盐类溶解。

冷却后，连同沉淀一起转移到500mL 容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀后放置1~2h ，使其澄清。

然后用洁净干燥的虹吸管吸取溶 液于洁净干燥的400mL 烧杯中保存，作为测定Fe ，Al ，Ca ，Mg 等元素之用。

4.3.2 32e O F 和32l O A 含量的测定
准确移取25mL 试液于250mL 锥形瓶中，加入10滴磺基水杨酸、10mL pH=2的缓冲溶液，将溶液加热至70℃，用EDTA （稀释了十倍）标 准溶液缓慢地滴定至由酒红色变为无色（终点时溶液温度应在60℃左右），记下消耗的EDTA 体积 。

平行滴定3次。

计算Fe 2O 3含量： 这里，ms 为实际滴定的每份试样质量。

于滴定铁后的溶液中，加入1滴溴甲酚绿，用（1+1）氨水调至黄绿色，然后，加入过量的EDTA 标准溶液，加热煮沸1min ，加入10mL pH=的缓冲溶液，13滴PAN 指示剂，用铜标准溶液滴至茶红色即为终点。

记下消耗的铜标准溶液的体积。

平行滴定3份。

计算Al 2O 3含量： 4.3.3 CaO 和MgO 含量的测定
由于Fe 3+，Al 3+干扰Ca 2+，Mg 2+的测定，须将它们预先分离。

为此，取试液100mL 于200mL 烧杯中，滴入（1+1）氨水至红棕色沉淀生成时 ，再滴入2 mol ·L -1HCl 溶液使沉淀刚好溶解。

然后加入25mL 尿素溶液，加热约20min ，不断搅拌，使Fe 3+，Al 3+完全沉淀，趁热过滤，滤液用250mL 烧杯承接，用
1%NH 4NO 3热水洗涤沉淀至无Cl -为止（用AgNO 3溶液检查）。

滤液冷却后转移至250mL 容量瓶中，稀释至刻度，摇匀。

滤液用于测定Ca 2+，Mg 2+。

用移液管移取25mL 试液于250mL 锥形瓶中，加12滴GBHA 指示剂，滴加200 g ·L -1NaOH 使溶液变为微红色后，加入10mL pH=的缓冲液和20mL 水，用EDTA 标准溶液滴至由红色变为亮黄色，即为终点。

记下消耗EDTA 标准溶液的体积。

平行测定3次。

计算的含量CaO 。

在测定CaO 后的溶液中，滴加2 mol ·L -1HCl 溶液至溶液黄色褪去，此时pH 约为10，加入15mL pH=10的氨缓冲液，9滴铬黑T 指示剂 ，用EDTA 标准溶液滴至由红色变为纯蓝色，即为终点。

记下消耗EDTA 标准溶液体积。

平行测定3次。

计算MgO 的含量。

5.结果与讨论
EDTA 溶液的标定
EDTA C =
14
250
104
-⋅•L mol V M m EDTA
cuso cuso 44
cuso cuso M m 的数值为250=
i d =x -i x d =∑=3131i i d r d =%100x
d •==⨯%1002199.0000027
.00%<%
误差较小 2SiO 含量的计算 本次操作只做了两次,
i d =x -i x d =∑=3131i i d r d =%100x
d •==⨯%1003.32087
.0%>%
误差很大
3
2e O F
i d =x -i x d =∑=3131i i d r d =%100x
d •==⨯%100037.1
2019
.00%<%
误差较小
3
2l O A 含量的计算
i d =x -i x d =∑=3131i i d r d =%100x
d •==⨯%100516.56113
.00%<%
误差较小
i d =x -i x d =∑=3131i i d r d =%100x
d •==⨯%100153.162205
.00%<%
误差较小 MgO 的含量计算
i d =x -i x d =∑=3131i i d r d =%100x
d •==⨯%100699.83148
.00%>%
误差较大
结果讨论与误差分析
测定结果与国标的比较
参考武汉大学的《分析化学实验》中的方法，测得4号水泥试样的成分含量如下表所示：
从GB/T 21372-2008 即硅酸盐水泥熟料中查得普通水泥中各成分含量如下：
比较可看出，实验测得的SiO2 含量为%，在普通水泥标准范围内，Fe2O3 含量为%，CaO含量为%，均不在普通水泥标准范围内，结果都偏小，这是由于实验过程中存在误差。

Al2O3 含量为%，MgO为%，都在标准范围之内。

且国标要求CaO和SiO2 质量分数之和大于或等于66%，我们测得的为%，与国标相符，且二者之比大于等于2%，我们测得的为%，与其相符。

上述比较表明我们的实验结果可信度还行。

并且，由于缺乏本次所测水泥试样成分的准确含量数据，故无法知道本次实验的相对误差。

误差分析
1.二氧化硅含量测定误差来源
a.水泥中存在不溶物，灼烧至恒重时会使二氧化硅含量偏高；
b.原试液中硅酸沉淀不充分，会致使测得的二氧化硅含量偏低；
c.研磨水泥样品的时间不充分或者研磨方式不规范都会对测定产生影响；
d.灼烧不够充分会使二氧化硅的含量偏高
2. 三氧化二铁含量测定误差来源
样品溶解不够充分；样品中含有亚铁离子，且溶解过程中可能也有亚铁离子的产生，在氧化不够充分的条件下，亚铁离子、三价铁离子、铝离子以及
EDTA的络合常数各不相同，Fe和Al是在严格控制pH条件下才可达到分离目的。

pH为2时，EDTA能络合三价铁离子而不能络合二价铁离子，使得铁的测定含量偏低。

3. 氧化钙测定误差来源
样品溶解不够充分；采用尿素均匀沉淀法沉淀铝和铁后测定钙和镁时，溶液中仍存在微量的三价铁离子和铝离子，这对钙和镁离子的测定会产生干扰。

4. EDTA标定误差来源（Fe、Mg、Ca、Al离子的测定均用到了EDTA，因
此，EDTA的标定的准确与否会对四种离子的测定产生较大影响）
滴定终点判断误差；滴定管读数误差
6. 结论
本次实验主要目的是测定硅酸盐水泥样品中各组分的含量以检验其是否符合国家标准。

从实验结果可看出，待测水泥各成分含量基本符合国标，但是氧化钙和氧化铁的成分都有些偏低。

我们知道，水泥熟料中最主要的化学成分是CaO,它与SiO2 生成硅酸钙，与Al2O3和Fe2O3生成硅酸盐和铁铝酸盐。

要生产出高品位的优质水泥，就需要有足量的碱性要话务（即CaO）来满足酸性氧化物的需要。

当然由于实验存在一定的误差，可能导致氧化钙和氧化铁含量有所偏低。

但在生产过程中，由于配料比例失当或煅烧温度低一级熟料冷却方式不当其中一部分氧化钙就不能完全与酸性氧化物化合或是已形成的C3S发生分解，从而以f-CaO的形式存在于水泥熟料中。

这将导致混凝土的强度急剧降低，导致工程的不合格。

比如，近来，不论城乡，都大肆扩建公路，而其中大批不合格的公路造成了不可计数的事故，大都是由于采用了低价劣质的不符合
国家标准的水泥用品。

由此，我们应当给予高度警惕，重视水泥质量的检测。

它的质量要求应当完全合乎国家标准，不然，必将对人们的生产生活造成无可挽回的灾害。

参考文献
[1] 分析化学实验，第四版，武汉大学主编，高等教育出版社
[2] 中华人民共和国国家标准 GB/T 21372-2008
[3] 武汉大学主编.分析化学（第五版）.高等教育出版社
[4] 硅酸盐工业分析实验徐伏秋、张秋芬化学工业出版社 (2009-03出版)
[5]水泥化学分析手册中国建筑材料科学研究总部、水泥科学与新型建筑材料
研究所中国建材工业出版社 (2007-03出版)
[6] 水泥化学分析张绍周、辛志军、倪竹君、等化学工业出版社 (2007-07出版)。