水泥熟料全分析

水泥熟料全分析
摘要：
实验目的：
利用沙浴获得除去SiO2的水泥溶解溶液，通过EDTA和CuSO4的配位滴定法测定水泥中Ca2+、Fe3+、Al3+、Mg2+的含量，对水泥的主要成分进行全分析。

进一步掌握络合滴定方法，通过控制试液的酸度、温度和合适的掩蔽剂、指示剂等条件，来测定铁、铝、镁共存时各自的浓度。

实验结果：Fe2O3%=6.33；Al2O3%= -0.903；CaO%=64.07；MgO%=2.61。

Fe2O3的测定偏高，Al2O3完全错误，应该是EDTA加入不足，CaO、MgO测量合理。

背景介绍：
实验原理：
水泥熟料的主要化学成分：SiO2（18-24%）、Fe2O3（2-5.5%）、Al2O3（4-9.5%）、MgO（<4.5%）CaO（60-70%）。

通过HCl、HNO3使金属氧化物（实际是硅铝酸盐）变成可溶性盐，然后过滤出SiO2（以硅酸的形式沉淀，可以通过加热称重法测定SiO2的质量）。

由于硅酸吸附严重，需要用热水不断洗涤，利用各离子与EDTA的配合物稳定程度的强弱、所需要的指示剂和掩蔽作用、pH的影响，可以采取不同的滴定方案分别测定各离子的含量。

M n++Y4-=MY4-n；
Fe2O3%=C EDTA×V EDTA÷1000×M0.5Fe2O3(159.69)÷（W水泥×50÷250）×100；
Al2O3%=C EDTA×(V1×K）÷1000×M0.5Al2O3(101.96)÷（W水泥×50÷250）×100；
CaO%=C EDTA×V EDTA÷1000×M CaO(56.8)÷（W水泥×25÷250）×100；
Fe2O3%=C EDTA×(V EDTA2 -V EDTA2)÷1000×M MgO(40.31)÷（W水泥×25÷250）×100；
实验方法：
实验仪器：
沙浴箱、滴定管、锥形瓶（2个）、250ml容量瓶（2个）、加热装置、大小烧杯、钙指示剂、磺基水杨酸、PAN指示剂、K-B指示剂、氨缓冲溶液（pH=10）、醋酸缓冲溶液（pH=4），20%的NaOH溶液、EDTA溶液、三乙醇胺（1:2）溶液、CuSO4固体、固体NH4Cl、浓盐酸、浓硝酸、1:1HCl、氨水、1:1H2SO4、水泥样品
实验步骤：
1.水泥样品的制备
洗涤仪器，检验滴定管是否漏水---》分析天平准确称量0.4-0.6g的水泥样品，置于干燥烧小杯中。

粗称2.5-3.5gNH4Cl，与水泥混匀，盖上表面皿，滴加浓盐酸润湿（3ml左右），加入浓硝酸数滴，此时水泥消失，溶液显橙红色或黄色。

---》把烧杯放在沙浴上加热至接近蒸干，不时搅拌，若酸加入较多则延长加热时间，且溶液易产生气泡---》第一次蒸干后，加入1-2ml浓盐酸，搅拌，并加入40ml热水，充分搅拌溶解，颜色变黄---》用普通漏斗过滤，热水洗涤直至沉淀为白色（絮状SiO2），并不时用AgNO3检验Cl-存在---》滤液转移至250ml容量瓶中，定容
2.CuSO4的制备和体积比测定
天平粗称1.0gCuSO4·5H2O于烧杯中，滴加1:1H2SO4，用水溶解，配成200ml溶液---》移液管移取25ml溶液EDTA溶液于锥形瓶中，加入10mlpH=4的醋酸缓冲溶液---》加热至80-90°C，稍冷后加入PAN指示剂4-6滴---》用CuSO4溶液滴定，颜色由色变成红色---》记录CuSO4的体积，算出体积比K。

3.Fe3+的测定
移液管移取50ml水泥样品于锥形瓶中，滴加10滴磺基水杨酸，先加HCl，用HCl和氨水调节pH约为2，使溶液变成紫红色，加热至60-70°C ---》用EDTA标定，溶液由紫红变
成浅黄色，记录所消耗的EDTA体积
4.Al3+的测定
Al3+的测定采用反滴定法，先向滴完Fe的溶液中精确加入20ml左右EDTA溶液---》加入醋酸缓冲溶液10ml，然后加热煮沸2分钟，稍冷后加入PAN指示剂4-6滴---》用CuSO4溶液滴定，由黄变成绿色再变成紫红，记录所消耗的CuSO4的体积
5.Ca2+的测定
移液管移取25ml水样，加100ml水，加入1:2的三乙醇胺溶液6ml，加入20%NaOH调节pH，混匀，加入钙指示剂---》用EDTA标定，颜色由酒红变成蓝色，记录消耗的EDTA 的体积
6.Mg2+的测定
移液管移取25ml水泥水样，加入100ml水，5ml三乙醇胺，加入pH=10的氨缓冲溶液10ml，加入K-B指示剂2-3滴---》用EDTA标定，由酒红色变蓝色，记录EDTA的体积
7. 记录数据和计算各物质的含量。

数据处理、结果和讨论：
对结果的分析：
理论上水泥熟料的主要化学成分：
SiO2（18-24%）、Fe2O3（2-5.5%）、Al2O3（4-9.5%）、MgO（<4.5%）CaO（60-70%）
实际测得水泥的成分：
Fe2O3%=6.33；Al2O3%= -0.903；CaO%=64.07；MgO%=2.61
旁边同学测定：
Fe2O3%=3.5；Al2O3%=7.4；CaO%=65.6；MgO%=1.0
可以看出，Fe2O3的含量偏高，Al2O3的测量失误，与之对应的原因可能是：测定Fe滴定过头，而对于Al，通过计算和数据，可以看出v1-v2*K<0，即所加的EDTA太少，未能达到反滴定的效果，所以测量值为负。

同时，在测定铝的过程中，溶液无明显变色，一直偏向橙红色，而没有变成酒紫红，也进一步验证了应该是所加的EDTA不足，使得仍为原来的指示颜色。

所以，我留下了原来的溶液，下次在测量一次。

钙镁测量基本合理，说明熟能生巧。

而与旁边的同学的测量不同，可能是所取样本不同导致。

讨论：
实验原理：
本次实验可以说是配位滴定的综合应用，多种离子的滴定，利用其pH、指示剂和稳定性能不同，采取不同的方法分别测定。

对于Fe3+，用HCl和氨水调节pH在2.0-2.5之间，用磺基水杨酸做指示剂，既能使其他离子的干扰最小，也能减少Fe3+的沉淀。

对于Al3+来说，其和EDTA反应慢，需要煮沸加热，同时由于其他离子的干扰，采用返滴定法，先加过量的EDTA，用醋酸调节pH，煮沸，待Al3+充分反应后，再用PAN做指示剂，CuSO4返滴定剩余的EDTA。

对于Ca2+、Mg2+的测定，方法同上次试验，采用差减法，用NaOH控制pH>12，使镁离子沉淀，测定钙离子，然后用氨缓冲溶液控制pH=10，测定钙镁总和，差减法求出镁离子含量。

纵观整个实验，对于pH的控制、指示剂的选择和终点的判断很重要，同时需要弄懂不同的离子采用的方法不同，才能又快又好的完成测定，否则少加一种物质则会导致实验失败。

操作：
整个实验操作与普通滴定类似，但对于水泥的溶解过程和过滤，需要注意HCl和HNO3的挥发性和有害，注意盖上表面皿，不要加太多，操作在通风橱中进行。

需要加热的操作：水泥的酸解（沙浴）、热水过滤洗涤、CuSO4测定体积比需要80-90度、Fe3+测定需要加热60-70度、Al3+与EDTA充分反应需要煮沸。

若反应终点变色不明显则可稀释后再加几滴指示剂看效果。

热水洗涤水泥沉淀时，直至沉淀为白色（絮状SiO2），并不时用AgNO3检验Cl-存在（防止戳破滤纸、用玻璃棒轻搅动沉淀，加快和充分洗涤）
加入的指示剂和变色：
水泥：加酸后变橙红（Mn2+），过滤后为淡黄色溶液（Fe3+）。

Fe3+：指示剂-磺基水杨酸，pH=2，由紫红色变淡黄色
Al3+：指示剂-PAN，pH=4.2，由黄变绿再变紫红
Ca2+：加入三乙醇胺做掩蔽剂，pH>12，指示剂-钙指示剂，由紫红变蓝
Mg2+：加入三乙醇胺做掩蔽剂，pH=10，指示剂-K-B指示剂，由淡紫红变淡蓝
CuSO4测定体积比：pH=4，指示剂-PAN，由黄变红
思考题：
（1）本次实验虽然没有测定SiO2的含量，但可以通过酸解把金属盐变成溶液，通过把硅酸盐变成硅酸沉淀出来，然后加热称重法测量SiO2的含量。

（2）如上面所示：
Fe3+：指示剂-磺基水杨酸，pH=2，用HCl和氨水调节pH
Al3+：指示剂-PAN，pH=4.2，用醋酸缓冲溶液
Ca2+：加入三乙醇胺做掩蔽剂，pH>12，指示剂-钙指示剂，用20%NaOH调节
Mg2+：加入三乙醇胺做掩蔽剂，pH=10，指示剂-K-B指示剂，用氨缓冲溶液调节
（3）从等式上看：n（Fe3）+n（Al3+）+n（CuSO4）=n（EDTA1）+n（EDTA2）
当铁测量过量时，即向测定铝的体系内加入过量的EDTA，使得消耗的CuSO4过量，从而使得Al3+测量偏高，同样，铁测量偏低，使得Al3+测量偏低。

这也可能是我本次实验Al测量严重偏低而Fe偏高的原因之一。

（4）加入三乙醇胺的目的是与Fe和Al络合，形成稳定配合物，不干扰。

而加入NaOH的目的是让镁离子沉淀，若先加NaOH，会使得出现Fe（OH）3和Al（OH）3，甚至AlO2-，这会使得胶体吸附，并导致镁离子不以沉淀形式出现，而与EDTA络合。

（5）由于要返滴定，需要EDTA过量，根据EDTA浓度和Al的理论含量，可以根据原理中的公式反推出0.5323g下，需要的EDTA体积：2.44ml+V（CuSO4）×K。

参考文献：
实验讲义
（PAN指示剂）
（磺基水杨酸和Fe配位的pH控制）
（K-B指示剂）。