水泥成分含量分析小的课题实验Word文档格式.docx
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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
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
Al2O3+12HCl→CaCl2+AlCl3+6H2O
(CaO)4·
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氨水溶液
10%NaOH溶液
N
Cl(固体)
10%N
溶液
1三乙醇胺溶液
钙指示剂(固体)
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)
CuS
标准溶液
·
-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
(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
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
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
2.00
4.00
5.00
6.00
8.00
10.00
吸光度%
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
末读数/mL
30.20
30.25
30.30
体积/mL
5.3.2基准物Cu的质量:
0.2509g
VCuSO4
24.05
24.20
24.00
5.4铁、铝、钙、镁含量测定
第一次测定
5.01
13.25
90.25
92.50
第二次测定
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)=
30
c(EDTA)/(mol/L)
0.01396
0.01393
0.01391
平均浓度(mol/L)
相对平均偏差
0.1%
6.3.2用标准Cu标定
c(C
)=
/mL
0.01519
0.01528
0.01516
0.01521
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
0.01581
0.06266
0.1876
0.00788
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?
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?
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?
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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- 水泥 成分 含量 分析 课题 实验