㈠ 二氧化硅含量的測定
二氧化硅含量的測定方法很多,包括重量法、滴定法以及分光光度法。
3.4.1.1 重量法測定二氧化硅
硅酸鹽分析中二氧化硅含量的測定常採用重量法。重量法一般包括二次鹽酸蒸干脫水法、一次鹽酸蒸干脫水法、氯化銨法、聚環氧乙烷凝聚重量法、動物膠凝聚重量法。
鹽酸蒸干脫水法的原理:將試樣與鹼共熔,使不溶性的二氧化硅生成可溶性的硅酸鹽,經過酸化處理使其以硅酸形式沉澱出來。為使硅酸溶膠凝聚、脫水、沉澱完全,常常以鹽酸為脫水劑蒸干、脫水、過濾,將所得沉澱灼燒至恆量。
氯化銨法的原理:在含硅酸的濃鹽酸溶液中,加入足量氯化銨,水浴或沙浴加熱10~15min,使硅酸迅速脫水析出。利用氯化銨的水解反應奪取硅酸中的水分,加速硅酸的脫水,並且由於氯化銨的存在降低了硅酸對其他組分的吸附,以得到純凈的沉澱。
聚環氧乙烷凝聚重量法的原理:將試料用碳酸鈉熔融,鹽酸浸取,蒸發至小體積,加聚環氧乙烷凝聚硅酸,過濾,灼燒,稱重。加氫氟酸、硫酸處理,使硅以四氟化硅形式除去,再灼燒,稱重。處理前後質量之差即為沉澱中的二氧化硅含量。殘渣用焦硫酸鉀熔融,水提取並入二氧化硅濾液中。經解聚後用鉬藍分光光度法測定濾液中殘余的二氧化硅,兩者之和即為試樣中二氧化硅的含量。
動物膠凝聚重量法的原理:將試樣用碳酸鈉熔融,鹽酸浸取,蒸發至濕鹽狀,加鹽酸,用動物膠凝聚硅酸,過濾,灼燒,稱重。加氫氟酸、硫酸處理,使硅以四氟化硅形式除去,再灼燒,稱重。處理前後質量之差為沉澱中的二氧化硅含量。殘渣用焦硫酸鉀熔融,水提取並入二氧化硅濾液中。經解聚後用鉬藍分光光度法測定濾液中殘余的二氧化硅,兩者之和即為試樣中二氧化硅的含量。
以上方法中,比較常用的是鹽酸蒸干脫水法和動物膠凝聚法。鹽酸蒸干脫水法是非常經典的方法,適用於高含量二氧化硅的測定,方法的准確度比較高,但分析流程長,操作煩瑣。聚環氧乙烷法和動物膠凝聚法適用於二氧化硅含量大於5%的硅酸鹽岩石中二氧化硅含量的測定,也適用於土壤和水系沉積物中二氧化硅含量的測定,這兩種重量法速度較快、回收率高,但漏失量達1%~2%。
應用重量法測定二氧化硅時,需要注意的是:正確掌握蒸干、凝聚條件、凝聚後的體積以及沉澱過濾的方法。一般例行分析中,不需要對濾液中的二氧化硅進行校正,但在精密分析中需進行校正。
3.4.1.2 滴定法測定二氧化硅
氟硅酸鉀滴定法測定二氧化硅是一種間接滴定法,即氟硅酸鉀沉澱分離-酸鹼滴定法,廣泛應用於水泥、冶金、新型無機材料、玻璃製品及其原料中二氧化硅的測定。
氟硅酸鉀容量法的基本原理:在鎳坩堝中,以KOH(或NaOH和Na2CO3)作熔劑,將試樣熔融,然後用硝酸分解熔融物。在過量的氟離子和鉀離子存在的強酸性溶液中,使硅酸形成氟硅酸鉀沉澱(K2SiF6),經過濾、洗滌、沉澱及中和濾紙上的殘余酸後,加沸水,使氟硅酸鉀沉澱水解生成定量的氫氟酸,以酚酞為指示劑,用氫氧化鈉標准溶液進行滴定,由消耗氫氧化鈉標准溶液的體積計算二氧化硅的含量。
氟硅酸鉀測定二氧化硅的關鍵兩步是控制生成沉澱以及沉澱的洗滌、中和殘余酸。具體實驗條件(如酸度、溫度、KCl、KF加入量等)可參照國標選擇。目的是盡可能使所有H2SiO3全部轉化為K2SiF6沉澱,並且要防止K2SiF6水解損失。
氟硅酸鉀容量法檢測結果准確,費時較少,但測定條件要求較高,影響因素較多,而且與操作者熟練程度有很大的關系。
3.4.1.3 分光光度法測定二氧化硅
試樣中SiO2含量在2%以下時,宜用分光光度法測定,分為硅鉬黃和硅鉬藍分光光度法兩種。
硅鉬黃法是在一定條件下單硅酸與鉬酸銨反應,生成黃色可溶性硅鉬雜多酸配合物,在一定濃度范圍內,黃色配合物的吸光度與硅酸的濃度成正比,於440nm波長處測定其吸光度,進而求得二氧化硅的濃度。
硅鉬藍法是把硅鉬黃法生成的硅鉬黃用還原劑還原成藍色的配合物(即硅鉬藍)。在一定濃度范圍內,藍色配合物的吸光度與硅酸的濃度成正比,於680nm波長處測定其吸光度,進而求得二氧化硅的濃度。
比較這兩種方法的測定原理可發現:「硅鉬藍法」是在「硅鉬黃法」的基礎上多了一步還原顯色反應,所以「硅鉬藍法」的操作步驟要多一些,操作時間也要長一些。硅鉬黃法可以測出比硅鉬藍法含量較高的二氧化硅,即硅鉬藍法檢出限更低,靈敏度更高。因此在一般分析中,對少量二氧化硅的測定都採用硅鉬藍分光光度法。
用分光光度法測定二氧化硅時,最關鍵的問題是必須將試樣中的硅全部轉入溶液中,並以單分子硅酸狀態存在。因此在制備試樣溶液時,為了獲得穩定的單硅酸溶液,一般多用碳酸鉀(碳酸鈉)-硼砂混合溶劑(2∶1)、苛性鈉或苛性鉀分解試樣,並且採用逆酸化法,即以熔劑熔融後用水浸出所製得的鹼性溶液,迅速倒入稀鹽酸中,使溶液由鹼性迅速越過pH=3~7的范圍,成為pH=0.5~2的酸性溶液,這樣可大大地減少聚合硅酸的形成。另外,溶液的酸度、溫度以及共存離子等因素對測定結果都有影響,因此應根據實際情況採取相應措施以減少或消除其可能產生的誤差。
總之,測定二氧化硅含量的各種方法各有優缺點,實際應用中要根據待測試樣的具體特點進行分析,以選取合適的測定方法。