自设计开放性实验

PAGEPAGE12化学学院学生自设计开放实验实验报告院系：化工学院专业：化学091姓名：李梅学号：0911014034化学学院学生自设计开放实验实验报告09级化学专业1班学号0911014034姓名李梅硅酸盐水泥中SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO含量测定实验目的（1）了解重量法测定SiO2含量的原理和方法；（2）进一步掌握配位滴定法的原理，特别是通过试验的酸度、温度及选择适当的掩蔽剂和指示剂等，在铁、铝、钙、镁共存时直接分别测定的方法；（3）掌握水浴加热、沉淀、过滤、洗涤、灰化、灼烧等技术；（4）通过复杂物质分析实验，培养综合分析问题和解决问题的能力。二、实验原理水泥熟料中由水泥生料经1400℃以上的高温煅烧而成。一般的水泥由水泥熟料加入适量的石膏组成。要控制水泥的质量，可以通过水泥熟料的分析得以实现。根据的分析结果，可以检验水泥熟料质量和烧成情况的好坏，及时调整原料的配比以控制生产。水泥熟料的主要化学成分是：SiO2（含量范围18%~24%）、Fe2O3（含量范围2.0%~5.5%）、Al2O3（含量范围4.0%~9.5%）、CaO（含量范围60%~67%）和MgO（含量范围<4.5%）。根据水泥熟料的组成，本实验采用化学法测定主要成分的含量。试样的分解水泥熟料中碱性氧化物占60%以上，因此容易被酸分解。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）等混合物。这些混合物与盐酸作用时，生成硅酸和可溶性的氯化物，反应式如下：2CaO•SiO2+4HCl→2CaCl2+H2SiO3+H2O3CaO•SiO2+6HCl→3CaCl2+H2SiO3+2H2O3CaO•Al2O3+12HCl→3CaCl2+2AlCl3+6H2O4CaO•Al2O3•Fe2O3+20HCl→4CaCl2+2AlCl3+2FeCl3+10H2O硅酸是一种无机酸，在水溶液中绝大部分以溶胶状态存在，其化学式应以SiO2•nH2O表示。在用浓酸和加热蒸干等方法处理后，能使绝大部分硅酸水溶液溶胶脱水变成水凝胶析出，因此，可以利用沉淀分离的方法把硅酸与水泥中的铁、铝、钙、镁等组分分开。SiO2含量的测定原理本实验中以重量法测定SiO2的含量。对水泥熟料经酸分解后的溶液，采用加热蒸发近干和加固体氯化铵两种措施，使水溶性胶状硅胶尽可能全部脱水析出。蒸发脱水是将溶液控制在100~110℃NH4Cl+H2O==NH3H2O+HCl含水硅胶的组成不固定，因此，沉淀经过过滤、洗涤、灰化后，还需要经950~1000℃高温灼烧为SiO2，然后称量，根据沉淀的质量计算SiO2H2SiO3•nH2OH2SiO3SiO2水泥熟料中的铁、铝、镁、钙等组分的测定原理水泥熟料中的铁、铝、镁、钙等组分以Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+等离子形式存在于过滤完SiO2沉淀后的滤液中，它们都与EDTA形成稳定的配离子。但这些配离子的稳定性有较显著的差别，因此，只要控制适当的酸度，就可用EDTA分别滴定，测定其含量。（1）铁的测定：用EDTA滴定铁的关键在于正确控制溶液的pH和掌握适当的温度。试验表明，溶液酸度控制不恰当对铁的测定结果影响不大。在pH1.5时结果偏低，pH>3时，Fe3+开始形成红棕色的氢氧化物，往往没有滴定终点。滴定时溶液的温度以60~70℃为宜。如果温度高于75℃，Al3+也可能与EDTA配合，使Fe2O3的测试结果偏高，而Al2O3的测定结果偏低。当温度低于50℃因此，以磺基水杨酸(SSa)或其钠盐为指示剂，在pH=1.5~2.5、温度为60~70℃的溶液中，用EDTA标准溶液滴定反应：Fe3++H2Y2-==FeY-+2H+指示剂的显色反应：Fe3++HIn-==FeIn++H+无紫红色终点时：FeIn++H2Y2-==FeY-+HIn-+H+紫红色亮黄色终点时溶液由紫红色变为亮黄色。（2）铝含量的测定：溶液中蓝色Cu-EDTA量的多少，对终点颜色变化的敏锐程度有影响。因而，对过量的EDTA的量要加以控制，一般100mL溶液中加入的EDTA标准溶液（浓度0.01~0.015mol/L）以过量10~15mL为宜。以PAN为指示剂，用铜盐回滴法来测定铁的含量。因为Al3+与EDTA的配合反应进行的很慢，不宜采用直接滴定法，所以一般先加入过量的EDTA溶液，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。Al-EDTA配合物是无色的，PAN指示剂在pH=4.3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，Cu2+不断与过量的EDTA生成淡蓝色的Cu-EDTA，溶液逐渐由黄色变为绿色。终点时，过量的Cu2+与PAN生成红色配合物，由于蓝色Cu-EDTA的存在，所以终点呈紫色。有关反应如下：滴定反应：Al3++H2Y2-==AlY-+2H+用铜盐返滴定过量的EDTA：Cu2++H2Y2-==CuY-+2H+蓝色终点时的变色反应：Cu2++PAN→CuPAN黄色红色（3）钙的测定：在pH=12以上的强碱性溶液中，Mg2+形成Mg(OH)2沉淀而被掩蔽，Fe3+、Al3+用三乙醇胺掩蔽，以钙黄绿素—甲基百里酚蓝—酚酞（CMP）为混和指示剂，用EDTA标准溶液滴定。pH大于12时，钙黄绿素本身呈橘红色，与Ca2+、Sr2+、Ba2+等离子配位后呈绿色的荧光。终点时溶液中的荧光消失呈橘红色，但由于溶液中有残余荧光，会影响终点的观察，需要利用某些酸碱指示剂和其他配位指示剂的颜色，来掩盖黄绿素残余荧光。本实验选用钙黄绿素-甲基百里酚蓝-酚酞混和指示剂，其中的甲基百里酚蓝和酚酞在滴定的条件下起着遮盖残余荧光的作用。（4）镁的测定：EDTA配位滴定法测定镁的含量，多采用差减法，即在一份溶液中，调节pH=10，用EDTA滴定钙、镁总含量。从总含量中减去钙的量，即求的镁的量。滴定钙、镁总含量时，常用的指示剂有铬黑T和酸性铬兰K-萘酚绿B(K-B)混合指示剂。铬黑T易受某些重金属离子的封蔽，所以采用K-B指示剂作为EDTA滴定钙、镁总含量的指示剂。混和指示剂中的萘酚绿B在滴定过程中没有颜色变化，只起衬托终点颜色的作用，终点颜色的变化时红色到蓝色。Fe3+、Al3+用三乙醇胺和酒石酸钾钠进行联合掩蔽。三、实验仪器和试剂仪器：电子分析天平、酸式滴定管（1个）、容量瓶（1000mL一个,250mL两个）、锥形瓶（250mL3个）、移液管（25mL、10mL和100mL）、试剂瓶500mL、量筒、虹吸管、瓷坩埚、马福炉。试剂：乙二胺四乙酸二钠盐、ZnCl2、六亚甲基四胺、CuSO4、NH4Cl、尿素NH4NO3、氯乙酸、醋酸铵、醋酸钠（上述试剂均为分析纯）、NaOH溶液（10%）、HCl溶液（6mol/L、3mol/L）、浓HNO3、氨水溶液（1：1）、AgNO3（0.1mol/L）、二甲酚橙（2g/L）、磺基水杨酸钠（100g/L）、PAN指示剂（3g/L）、溴甲酚绿（1g/L）、酚酞指示剂（10g/L）、铬黑T、K-B混合指示剂、CMP混合指示剂水泥试样。四、实验步骤1、实验相关试剂的配制：（1）EDTA溶液（0.02mol/L）：在台秤上称取4g乙二胺四乙酸二钠，用100mL蒸馏水溶解后，定量转移到试剂瓶中，再用蒸馏水稀释至500mL，摇匀。（2）ZnO标准溶液（0.02mol/L）：用分析天平称取ZnO基准试剂0.4g于200mL烧杯中，加入1：1HCl溶液，立即盖上表面皿，待锌完全溶解，以少量蒸馏水冲洗表面皿和烧杯内壁，定量转移Zn2+标准溶液至250mL容量瓶中，再用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。（3）六亚甲基四胺溶液（200g/L）：在台秤上称取100g六亚甲基四胺用200mL蒸馏水溶解后定量转移至试剂瓶中，再用蒸馏水稀释到500mL，摇匀。（4）缓冲溶液：①、氯乙酸—醋酸铵缓冲溶液（pH=2）：850mL0.1mol/L氯乙酸与85mL1mol/LNH4Ac②、氯乙酸—醋酸钠缓冲溶液（pH=3.5）：250mL2mol/L氯乙酸与500mL1mol/LNaAc混匀。③、NaOH强碱缓冲溶液（pH=12.6）：10gNaOH与10gNa2B4O7·10H2O溶于适量水后，稀释至1L。④、氨水—氯化铵缓冲溶液（pH=10）：用台秤称取33.5gNH4Cl溶解于适量蒸馏水中，加入260mL浓氨水，稀释至500mL，定量转移至500mL试剂瓶中。2、EDTA标准溶液的标定：移取10.00mLZn2+标准溶液于锥形瓶中，加入2滴二甲酚橙指示剂，滴加200g/L六亚甲基四胺至溶液呈现稳定的紫红色，再加5mL六亚甲基四胺溶液，用EDTA滴定，当溶液由紫红色恰转变为黄色且保持30s不变色即为滴定终点。平行滴定三次，计算EDTA的浓度。3、CuSO4标准溶液的标定：移取10.00mLCuSO4溶液于250mL锥形瓶中，加入5mLpH=3.5的缓冲溶液和35ml蒸馏水，加热至80℃后，加入4滴PAN指示剂，趁热用EDTA滴定溶液由红色变为绿色保持30s不变色，即为滴定终点，记录消耗EDTA溶液的体积。平行测定三次，计算CuSO4标准溶液浓度。4、SiO2含量的测定：准确称取2g左右的试样置于干燥的100mL烧杯中，加入4g固体NH4Cl，用玻璃棒混合均匀。盖上表面皿，沿皿口滴加2.00mL浓HCl溶液及4~5浓硝酸。仔细搅匀，使所有深灰色试样变为淡黄色糊状物。再盖上表面皿，将烧杯放在沸水浴上加热（通风柜内），待蒸发近干时（10~15min），取下烧杯，加热水约60mL，搅动，以溶解可溶性盐类。过滤，用热水洗涤烧杯、玻璃棒和沉淀（3~4次），直至滤液中无Cl-为止（用AgNO3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，置于950℃马福炉中灼烧2h后取下，置于干燥器中冷却至室温，称重。计算水泥试样中SiO2的质量分数。5、Fe2O3的测定：:将分离SiO2后沸滤液冷却至室温，用蒸馏水稀释至250mL标线，摇匀。吸取15mL试液于250mL锥形瓶中，加水稀释至100mL，加入2滴0.05%溴甲酚绿指示剂（在pH<3.8时呈黄色，pH>5.4时呈绿色），逐渐加入氨水（1:1），使之呈绿色，然后用6mol/L盐酸调至黄色后再过量3滴，溶液pH在1.8~2.0之间。将溶液加热至60~70℃，加10滴磺基水杨酸指示剂，用EDTA标准溶液缓慢滴定溶液，使其由紫红色变到亮黄色。记下消耗EDTA标准溶液的体积。平行滴定三次。计算Fe2O3的含量：6、Al2O3的测定：在滴定Fe后的溶液中，加入20.00mL过量的EDTA标准溶液，用水稀释至200mL。加入15mLHAc-NaAc缓冲溶液，加热煮沸1~2min，取下稍冷，加入4~5滴PAN指示剂，用CuSO4标准溶液滴至亮紫色，即为终点。记下消耗的CuSO4标准溶液的体积。平行滴定三次，计算Al2O3的含量：7、CaO测定：取分离完SiO2后的滤液10.00mL放入250mL烧杯中，加水稀释至100mL左右，加入5mL三乙醇胺（1:2）及少许CMP混和指示剂，在搅拌下加入20%氢氧化钾溶液后出现绿色荧光后，在过量5~8mL，此时溶液pH在13以上，用EDTA标准溶液滴定至绿色荧光消失并呈现红色为红色，稳定30s不退色即为滴定终点，记录消耗EDTA标准溶液的体积。平行滴定三次，计算CaO的含量：8、MgO的测定：取分离完SiO2后的滤液10.00mL放入500mL烧杯中，加水稀释至200mL左右，加入1mL酒石酸钠溶液、5mL三乙醇胺（1:2），搅拌1min。然后加入15mLpH=10的NH3-NH4Cl缓冲溶液及少许K-B混和指示剂，用EDTA标准溶液滴定至溶液由紫红色变为纯蓝色，保持30s不退色即为滴定终点，记录消耗EDTA标准溶液的体积。平行滴定三次，计算MgO的含量：五、数据处理表1:原始数据项目序号项目ⅠⅡⅢV（mL）9.889.919.87V（mL）8.838.858.84V（mL）2.452.442.44V（mL）13.9013.9113.93V（mL）35.6035.6235.63V（mL）38.1038.1338.11水泥样m水泥（g）2.1748空坩埚重（g）36.9520ZnO质量m（g）0.4134空坩埚+样重（g）37.4012表2：EDTA标准溶液的浓度序号项目123C（mol/L）0.020570.020500.02059（mol/L）0.02055di（mol/L）0.00002-0.000050.00004（%）0.18表3：CuSO4标准溶液的浓度序号项目123C（mol/L）0.018150.018190.01817（mol/L）0.01817di（mol/L）-0.000020.000020（%）0.07表4：铁、铝的含量序号项目123W(%）3.083.063.07（%）3.07di（%）0.01-0.010（%）0.45W（%）6.196.186.17（%）6.18di（%）0.010-0.01（%）0.11表5：钙、镁的含量序号项目123W（%）47.1647.1947.20（%）47.18di（%）0.02-0.010.02（%）0.04W（%）2.382.392.36（%）2.38di（%）00.01-0.02（%）0.426.SiO2含量的测定：六、实验结果C（mol/L）0.02032W（%）3.07C（mol/L）0.02055W（%）6.18C（mol/L）0.01817W（%）47.18W（%）20.65W（%）2.38七、实验讨论1.实验结果中SiO2、Fe2O3、Al2O3和MgO的含量较准确。得到SiO2沉淀后，过滤、洗涤比较完全，灼烧温度适当；测定Fe2O3、Al2O3时，酸度控制恰当，温度也掌握适当；测定MgO时，对Fe3+、Al3+掩蔽较好。2.实验结果中CaO的含量偏低，可能是由于试样未充分溶解，造成CaO流失，也可能由于滴定过程中试液外撒及终点的计量误差所导致。所以在实验过程中一定要认真仔细，做好每一步。化学学院学生自设计开放实验项目申请表学生姓名李梅性别女班级化学091指导教师王志银专业方向化学项目名称硅酸盐水泥中SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO含量测定同组人员学生姓名性别专业班级无无项目完成时间2012年10月11日—2012年11月12日学分2.0项目内容和目的本实验测定硅酸盐水泥中SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO的含量。实验采用重量分析法测定SiO2的百分含量，试样经过溶解、沉淀、陈化、过滤和洗涤、烘干、碳化、灰化最后灼烧至恒重得到SiO2的质量。测定试样中Fe2O3、CaO、MgO的含量均采用EDTA直接滴定，采用返滴定法测定Al2O3的含量，先加入过量EDTA溶液，用CuSO4标准溶液滴定过量的EDTA。该实验所用实验方法简单实用，测得水泥样品中含SiO220.65%，Fe2O33.07%，Al2O36.18%，CaO47.18%，MgO2.38%。项目完