任务硅酸盐中三氧化二铝的测定

实训准备

岩石矿物分析

任务分析

一、硅酸盐中铝的测定方法简述

铝的测定方法很多，有重量法、滴定法、光度法、原子吸收分光光度法和等离子体发射光谱法等。重量法的程序繁琐，已很少采用。光度法测定铝的方法很多，出现了许多新的显色剂和新的显色体系，特别是三苯甲烷类和荧光酮类显色剂的显色体系的研究很活跃。原子吸收分光光度法测定铝，由于在空气-乙炔焰中铝易生成难溶化合物，测定的灵敏度极低，而且共存离子的干扰严重，因此需要笑气-乙炔焰，这限制了它的普遍应用。在硅酸盐中铝含量常常较高，多采用滴定分析法。如试样中铝含量很低时，可采用铬天青S比色法。

二、配位滴定法

铝与EDTA等氨羧配位剂能形成稳定的配合物（Al-EDTA的P_k＝16.13；Al-CYDTA的P_k＝17.6），因此，可用配位滴定法测定铝。但是由于铝与EDTA的配位反应较慢，铝对二甲酚橙、铬黑T等指示剂有封闭作用，故采用EDTA直接滴定法测定铝有一定困难。在发现CYDTA等配位剂之前，滴定铝的方式主要有直接滴定法、返滴定法和置换滴定法。其中，以置换滴定法应用最广。

1.直接滴定法

直接滴定法的原理是：在pH＝3左右的制备溶液中，以Cu-PAN为指示剂，在加热条件下用EDTA标准溶液滴定。加热是为了加速铝与EDTA的配位反应，但操作更加麻烦。

滴定剂除 EDTA 外，还常采用 CYDTA。由于 Al -CYDTA 的稳定常数很大，而且CYDTA与铝的配位反应速率比EDTA快，因此，在室温和大量钠盐的存在下，CYDTA能与铝定量反应，并且能允许试液中含有较高量的铬和硅。

无论采用何种滴定方法，酸度是影响EDTA与Al^3＋进行配位反应的主要因素。铝与EDTA的配位反应将同时受酸效应和水解效应的影响，并且这两种效应的影响结果是相反的。因此，必须控制好适宜的酸度。按理论计算，在pH＝3～4时形成配位离子的百分率最高。但是，返滴定法中，在适量的EDTA存在下，溶液的pH可大至4.5，甚至6。然而，酸度如果太低，Al^3＋将水解而生成动力学上惰性的铝的多核羟基配合物，从而妨碍铝的测定。为此，可采用如下方法解决：

在pH＝3左右，加入过量EDTA，加热促使Al^3＋与EDTA的配位反应进行完全。加热的时间取决于溶液的pH、其他盐类的含量、配位剂的过量情况和溶液的来源等。

在酸性较强的溶液中（pH＝0～1 ）加入EDTA，然后用六亚甲基四胺或缓冲溶液等弱碱性溶液来调节试液的pH＝4～5，而不用氨水、氢氧化钠溶液等强碱性溶液。

在酸性溶液中加入酒石酸，使其与Al^3＋形成配合物，即可阻止羟基配合物的生成，又不影响Al^3＋与EDTA的配位反应。

2.返滴定法

在含有铝的酸性溶液中加入过量的EDTA，将溶液煮沸，调节溶液pH＝4.5，再加热煮沸使铝与EDTA的配位反应进行完全。然后，选择适宜的指示剂，用其他的金属的盐溶液返滴定过量的EDTA，从而得出铝的含量。用锌盐返滴时，可选用二甲酚橙或双硫腙为指示剂；用铜盐返滴时，可选用PAN或PAR为指示剂；用铅盐返滴时，可选用二甲酚橙作指示剂。返滴定法的选择性较差，需预先分离铁、钛等干扰元素。因此，该法只适用于简单的矿物岩石中铝的测定。

返滴定剂的选择，在理论上，只要其金属离子与EDTA的配合物的稳定性小于铝与EDTA的配合物的稳定性，又不小于配位滴定的最低要求，即可用作返滴定剂，例如Mn^2＋、La^3＋、Ce^3＋等盐。但是，由于Mn与EDTA的配位反应在pH＜5.4时不够完全，又无合适的指示剂，因而不适用；同时，La^3＋、Ce^3＋等盐的价格较贵，也很少采用。相反，Co、Zn、Cr、Pb、Cu等盐类，虽然其金属离子与EDTA形成的配合物的稳定性比Al与EDTA形成的配合物接近或稍大，但由于Al-EDTA不活泼，不易被它们所取代，故常用作返滴定剂。特别是锌盐和铜盐应用较广。而铅盐，由于其氟化物和硫酸盐的溶解度较小，沉淀的生成将对滴定终点的观察产生一定的影响。

3.氟化铵置换滴定法

氟化铵置换滴定法单独测得的氧化铝是纯氧化铝的含量，不受测定铁、钛滴定误差的影响，结果稳定，一般适于铁高铝低的试样（如铁矿石等）或含有少量有色金属试样。此法选择性较高，目前应用较普遍。

向滴定铁后的溶液中，加入10mL 苦杏仁酸溶液（100g/L）掩蔽 TiO^2＋，然后加入EDTA标准滴定溶液至过量10～15mL（对铝而言），调节溶液pH＝6.0，煮沸数分钟，使铝及其他金属离子和EDTA配合，以半二甲酚橙为指示剂，用乙酸铅标准滴定溶液回滴过量的EDTA。再加入氟化铵溶液使Al^3＋与F^-生成更为稳定的配合物［AlF6］^3-，煮沸置换Al-EDTA 配合物中的 EDTA，然后再用铅标准溶液滴定置换出的 EDTA，相当于溶液Al^3＋的含量。

该方法应注意以下问题：

（1）由于TiO-EDTA配合物也能被F^-置换，定量的释放出EDTA，因此若不掩蔽Ti，则所测结果为铝钛合量。为得到纯铝量，预先加入苦杏仁酸掩蔽钛。10mL苦杏仁酸溶液（100g/L）可消除试样中2%～5% 的TiO₂的干扰。用苦杏仁酸掩蔽钛的适宜pH为3.5～6。

（2）以半二甲酚橙为指示剂，以铅盐溶液返滴定剩余的EDTA恰至终点，此时溶液中已无游离的EDTA存在，因尚未加入NH₄F进行置换，故不必记录铅盐溶液的消耗体积。当第一次用铅盐溶液滴定至终点后，要立即加入氟化铵溶液且加热，进行置换，否则，痕量的钛会与半二甲酚橙指示剂配位形成稳定的橙红色配合物，影响第二次第定。

（3）氟化氨的加入量不宜过多，因大量的氟化物可与Fe^3＋-EDTA中的Fe^3＋反应而造成误差。在一般分析中，100mg以内的Al₂O₃，加1g氟化铵（或10mL100g/L的溶液）可完全满足置换反应的需要。

三、酸碱滴定法综述

在pH＝5左右时，Al^（Ⅲ）与酒石酸钾钠作用，生成酒石酸钾钠铝配合物，再在中性溶液中加入氟化钾溶液，使铝生成更稳定的氟铝配合物，然后用盐酸标准溶液滴定，即可确定铝的含量。其主要反应如下：

岩石矿物分析

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该法可直接单独测定铝，操作较简便，但必须注意以下问题。

（1）本法存在非线性效率，即铝量达到某一数值时，盐酸消耗量与铝不成线性相关。铝量越高，结果越偏低。因此，必须用不同浓度的铝标准溶液来标定盐酸标准溶液的浓度，最好做出校正曲线，并使待测样品的铝量处于曲线的直线部分。

（2）

四、铬天青S比色法

铝与三苯甲烷类显色剂普遍存在显色反应，且大多在pH＝3.5～6.0的酸度下进行显色。在pH＝4.5～5.4的条件下，铝与铬天青S（简写为CAS）进行显色反应生成1：2的有色配合物，且反应迅速完成，可稳定约1h。在pH＝5.4时，有色配合物的最大吸收波长为545nm，其摩尔吸光系数为4×10⁴L/（mol·cm）。该体系可用于测定试样中低含量的铝。

该方法应注意以下问题：

（1）在Al-CAS法中，引入阳离子或非离子表面活性剂，生成 Al -CAS -CPB 或Al-CAS-CTMAB等三元配合物，其灵敏度和稳定性都显著提高。例如，Al-CAS -CTMAB的显色条件为pH＝5.5～6.2，λ_max＝620nm，ε₆₂₀＝1.3×10⁵L/（mol·cm），配合物迅速生成，能稳定4h以上。

（2）Be^（Ⅱ）、Cu^（Ⅱ）、Th^（Ⅳ）、Zr^（Ⅳ）、Ni^（Ⅱ）、Zn、Mn^（Ⅱ）、Sn^（Ⅳ）、V^（Ⅴ）、Mo^（Ⅵ）和U存在时干扰测定。F的存在，与Al生成配合物而产生严重的负误差，必须事先除去。Fe^（Ⅲ）的干扰可加抗坏血酸消除，但抗坏血酸的用量不能过多，以加入2mL 抗坏血酸溶液（1%）为宜，否则会破坏Al-CAS配合物。少量Ti^（Ⅳ）、Mo^（Ⅳ）的干扰可加入磷酸盐掩蔽，2mL的磷酸二氢钠溶液（0.5%）可掩蔽100μg的SiO₂。低于500μg的Cr^（Ⅲ）、100μg的V₂O₅不干扰测定。

技能训练

一、直接法检测三氧化二铝

（一）检测流程

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（二）试剂配制

（1）氨水溶液（1＋2）。

（2）盐酸溶液（1＋2）。

（3）缓冲溶液（pH＝3）：将3.2g无水乙酸钠溶于水中，加120mL冰乙酸，用水稀释至1L，摇匀。

（4）PAN指示剂溶液：将0.2g 1-（2-吡啶偶氮）-2 -萘酚溶于100mL乙醇（95%，体积分数）中。

（5）EDTA-铜溶液：用浓度各为0.015mol/L的EDTA标准溶液和硫酸铜标准溶液等体积混合而成。

（6）溴酚蓝指示液：将0.2g溴酚蓝溶于100mL乙醇（1＋4）中。

（7）EDTA标准溶液：C（EDTA）＝0.015mol/L。

（三）操作步骤

1.EDTA标准溶液标定

标定方法见配位滴定法检测三氧化二铁：

T_EDTA/Al2O3＝ C（EDTA）×50.98（mg/mL）

2.测定

将测定完铁的溶液用水稀释至约200mL，加1～2滴溴酚蓝指示剂溶液（2g/L），滴加氨水（1 ＋2）至溶液出现蓝紫色，再滴加盐酸（1 ＋2）至黄色，加入15mL pH＝3的缓冲溶液，加热至微沸并保持1min，加入10滴EDTA-铜溶液及2～3滴PAN指示剂溶液（2g/L），用EDTA标准滴定溶液滴定至红色消失，继续煮沸，滴定，直至溶液经煮沸后红色不再出现并呈稳定的黄色为止。

3.计算

Al₂O₃的质量分数按下式计算：

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式中：w（Al₂O₃）为Al₂O₃的质量分数，%；T为EDTA标准滴定溶液对Al₂O₃的滴定度，mg/mL；V为分取试样溶液消耗EDTA标准滴定溶液的体积，mL；m为称取试料的质量，g。

实验指南与安全提示

用EDTA直接滴定铝，不受TiO^2＋和Mn^2＋的干扰。因为在pH＝3的条件下，Mn^2＋基本不与EDTA配位。TiO^2＋水解为TiO（OH）₂沉淀，所得结果为纯铝含量。因此，若已知试样中锰含量高时，应采用直接滴定法。

该法最适宜的pH范围为2.5～3.5之间。若溶液的pH＜2.5，Al^3＋与EDTA的配位能力降低；当pH＞3.5时，Al^3＋水解作用增强，均会引起铝的测定结果偏低。但如果Al^3＋的浓度太高，即使在pH＝3的条件下，其水解倾向也会很大，所以，含铝和钛高的试样不应采用直接滴定法。

TiO^2＋在pH＝3、煮沸的条件下能水解生成TiO（OH）₂沉淀。为使TiO^2＋充分水解，在调整溶液pH＝3之后，应先煮沸1～2min，再加入EDTA-Cu和PAN指示剂。

PAN指示剂的用量，一般在200mL溶液中加入2～3滴为宜。如指示剂加入太多，溶液颜色较深。不利于终点的观察。

EDTA直接滴定法测定铝，应进行空白试验。

技能训练

二、返滴定法检测三氧化二铝

（一）检测流程

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（二）试剂配制

（1）氨水溶液（1＋2）。

（2）盐酸溶液（1＋2）。

（3）EDTA 标准溶液（0.015mol/L）：称取 1.4g EDTA 加水微热溶解，定容250mL。

（4）PAN指示剂（0.2%）：称取0.2g指示剂溶于100mL乙醇中。

（5）HAc-NaAc缓冲溶液（pH＝4.2）：称取13.3g三水合乙酸钠溶于水中，加12.5mL冰醋酸，用水稀释至250mL。

（6）CuSO₄标准溶液（约0.015mol/L）：称取1.0g CuSO₄·5H₂O 溶于水中，加1滴H₂SO₄（1＋1），用水稀释至250mL。

（三）操作步骤

1.标定

（1）EDTA标定。标定方法见配位滴定法检测三氧化二铁。

（2）EDTA标准滴定溶液与CuSO₄标准滴定溶液的体积比的标定。用移液管准确吸取20mL EDTA标准溶液，置于锥形瓶中，加水稀至100mL，加10mL HAc -NaAc缓冲溶液，加热至沸，取下稍冷，加4～6滴PAN指示剂，用CuSO₄标准溶液滴定至亮紫色。计算CuSO₄溶液的准确浓度。

EDTA标准滴定溶液与CuSO₄标准滴定溶液的体积比按下式计算：

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式中：K为每毫升CuSO₄标准滴定溶液相当于EDTA标准滴定溶液的体积比；V₁为加入 EDTA 标准滴定溶液的体积，mL；V₂为滴定消耗 CuSO₄标准滴定溶液的体积，mL。

2.测定

在滴定Fe^3＋后的溶液中，用移液管准确加入EDTA标准溶液20mL，摇匀。用水稀释至150～200mL。将溶液加热至70～80℃后，加数滴氨水（1＋1）使溶液pH在3.0～3.5 之间，然后再加入10mL HAc -NaAc 缓冲溶液，煮沸，取下稍冷至90℃左右，加入4～6滴0.2% PAN指示剂，以CuSO₄标准溶液滴定，溶液由黄色变为紫色即为终点。

3.计算

Al₂O₃的质量分数按下式计算：

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式中：w（Al₂O₃）为Al₂O₃的质量分数，%；T为EDTA标准滴定溶液对Al₂O₃的滴定度，mg/mL；V₁为加入EDTA标准滴定溶液的体积，mL；V₂为分取试样溶液消耗CuSO₄标准滴定溶液的体积，mL；m 为称取试料的质量，g；0.64 为 TiO₂对Al₂O₃的换算系数；w（TiO₂）为TiO₂的质量分数，%。

实验指南与安全提示

铜盐返滴定法选择性较差，主要是铁、钛的干扰，故不适于复杂的硅酸盐分析。溶液中的TiO^2＋可完全与EDTA配位，所测定的结果为铝钛合量。一般工厂用铝钛合量表示A1₂O₃的含量。若求纯的A1₂O₃含量，应采用以下方法扣除TiO₂的含量：①在返滴定完铝＋钛后，加入苦杏仁酸（学名：β-羟基乙酸）溶液，使其夺取TiY^2-中的TiO^2＋，而置换出等物质的量的EDTA，再用CuSO₄标准滴定溶液返滴定，即可测得钛含量；②另行测定钛含量；③加入钽试剂、磷酸盐、乳酸或酒石酸等试剂掩蔽钛。

在用EDTA滴定完Fe^3＋的溶液中加入过量的EDTA之后，应将溶液加热到70～80℃再调整pH 为3.0～3.5 后，加入pH ＝4.3 的缓冲溶液。这样可以使溶液中的少量TiO^2＋和大部分Al^3＋与EDTA配位完全，并防止其水解。

EDTA（0.015mol/L）加入量一般控制在与Al和Ti配位后，剩余10～15mL，可通过预返滴定或将其余主要成分测定后估算。控制EDTA过剩量的目的是：①使Al、Ti与EDTA配位反应完全；②滴定终点的颜色与过剩EDTA的量和所加PAN指示剂的量有关。正常终点的颜色应符合规定操作浓度比（蓝色的CuY^2-和红色的 Cu^2＋-PAN），即亮紫色。若EDTA剩余太多，则CuY^2-浓度高，终点可能成为蓝紫色甚至蓝色；若EDTA剩余太少，则Cu^2＋-PAN 配合物的红色占优势，终点可能为红色。因此，应控制终点颜色一致，以免使滴定终点难以掌握。

锰的干扰。Mn^2＋与EDTA定量配位最低pH＝5.2，对于配位滴定Al^3＋的干扰程度随溶液的pH和Mn^2＋浓度的增高而增强。在pH＝4左右，溶液中共存Mn^2＋约一半能与EDTA配位。如果MnO含量低于0.5mg，其影响可以忽略不计；若达到1mg以上，不仅是Al₂O₃测定结果明显偏高，而且是滴定终点拖长。一般对于MnO含量高于0.5%的试样，采用直接滴定法或氟化铵置换EDTA配位滴定法测定。

氟的干扰。F^-能与Al^3＋逐级形成［AlF］^2＋，［AlF₂］^＋，...，［AlF₆］^3-等稳定的配合物，将干扰Al^3＋与EDTA的配位。如溶液中F^-的含量高于2mg，Al^3＋的测定结果将明显偏低，且终点变化不敏锐。一般对于氟含量高于5% 的试样，需采取措施消除氟的干扰。

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三、置换法检测三氧化二铝

（一）检测流程

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（二）试剂配制

（1）氟化钾溶液（100g/L）：贮于塑料瓶中。

（2）EDTA标准溶液（0.015mol/L）：1.4g用水溶解后稀释至250mL。

（3）二甲酚橙指示剂（0.2%）：水溶液。

（4）HAc-NaAc缓冲溶液（pH＝5.5）：200g乙酸钠（NaAc·3H₂O）溶于水中，加6mL冰乙酸，用水稀释至1 L。

（5）乙酸锌标准溶液（0.015mol/L）：称取0.9g Zn（Ac）₂·2H₂O溶于水中，加冰乙酸（1＋1）调整pH＝5.5，用水稀释至刻度250mL。

（6）铝标准溶液（1.000mg/mL Al₂O₃）：准确称取0.5293g高纯金属铝片（预先用盐酸（1＋1）洗净表面，然后用水和无水乙醇洗净，风干后备用）置于烧杯中，加20mL盐酸（1＋1）溶解，移入至1000mL容量瓶中，冷却至室温，用水稀释至刻度。

（三）操作步骤

1.乙酸锌对三氧化二铝的滴定度测定

准确移取10.00mL铝标准溶液于锥形瓶中，加入20mL EDTA（0.015mol/L）。在电热板上加热至80～90℃取下，加1 滴二甲酚橙指示剂，加NH₃· H₂O（1∶1）至溶液由黄刚变紫红色，再用盐酸（1＋1）调回恰变为黄色，加入pH＝5.5缓冲溶液10mL。加热煮沸并保持3min，取下冷却，补加1滴二甲酚橙指示剂，用乙酸锌标准溶液滴定至溶液刚变橙红色。该读数不记。然后加入10mL氟化钾溶液，加热煮沸保持3min，取下冷却，补加2滴二甲酚橙。用醋酸锌标准溶液滴至橙红色为终点，记下读数V，则T值：

2.硅酸盐中三氧化二铝的测定

准确移取25mL分离二氧化硅后的滤液置于250mL锥形瓶中，加入20mL EDTA（0.015mol/L），其余步骤如滴定度。

3.结果计算

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式中：w（Al₂O₃）为Al₂O₃的质量分数，%；T为乙酸锌标准滴定溶液对Al₂O₃的滴定度，mg/mL；V为分取试样溶液消耗EDTA标准滴定溶液的体积，mL；m为称取试料的质量，g；0.64为TiO₂对Al₂O₃的换算系数；w（TiO₂）为TiO₂的质量分数，%。

实验指南与安全提示

氟化铵置换滴定法一般适于铁高铝低的试样（如铁矿石等）或含有少量有色金属试样。此法选择性较高，目前应用较普遍，在标准GB/T6730-1986铁矿石化学分析方法中被列为代用法。

其余注意事项参照任务分析方法简述。