二氧化硅含量的测定方法很多,包括重量法、滴定法以及分光光度法。
3.4.1.1 重量法测定二氧化硅
硅酸盐分析中二氧化硅含量的测定常采用重量法。重量法一般包括二次盐酸蒸干脱水法、一次盐酸蒸干脱水法、氯化铵法、聚环氧乙烷凝聚重量法、动物胶凝聚重量法。
盐酸蒸干脱水法的原理:将试样与碱共熔,使不溶性的二氧化硅生成可溶性的硅酸盐,经过酸化处理使其以硅酸形式沉淀出来。为使硅酸溶胶凝聚、脱水、沉淀完全,常常以盐酸为脱水剂蒸干、脱水、过滤,将所得沉淀灼烧至恒量。
氯化铵法的原理:在含硅酸的浓盐酸溶液中,加入足量氯化铵,水浴或沙浴加热10~15min,使硅酸迅速脱水析出。利用氯化铵的水解反应夺取硅酸中的水分,加速硅酸的脱水,并且由于氯化铵的存在降低了硅酸对其他组分的吸附,以得到纯净的沉淀。
聚环氧乙烷凝聚重量法的原理:将试料用碳酸钠熔融,盐酸浸取,蒸发至小体积,加聚环氧乙烷凝聚硅酸,过滤,灼烧,称重。加氢氟酸、硫酸处理,使硅以四氟化硅形式除去,再灼烧,称重。处理前后质量之差即为沉淀中的二氧化硅含量。残渣用焦硫酸钾熔融,水提取并入二氧化硅滤液中。经解聚后用钼蓝分光光度法测定滤液中残余的二氧化硅,两者之和即为试样中二氧化硅的含量。
动物胶凝聚重量法的原理:将试样用碳酸钠熔融,盐酸浸取,蒸发至湿盐状,加盐酸,用动物胶凝聚硅酸,过滤,灼烧,称重。加氢氟酸、硫酸处理,使硅以四氟化硅形式除去,再灼烧,称重。处理前后质量之差为沉淀中的二氧化硅含量。残渣用焦硫酸钾熔融,水提取并入二氧化硅滤液中。经解聚后用钼蓝分光光度法测定滤液中残余的二氧化硅,两者之和即为试样中二氧化硅的含量。
以上方法中,比较常用的是盐酸蒸干脱水法和动物胶凝聚法。盐酸蒸干脱水法是非常经典的方法,适用于高含量二氧化硅的测定,方法的准确度比较高,但分析流程长,操作烦琐。聚环氧乙烷法和动物胶凝聚法适用于二氧化硅含量大于5%的硅酸盐岩石中二氧化硅含量的测定,也适用于土壤和水系沉积物中二氧化硅含量的测定,这两种重量法速度较快、回收率高,但漏失量达1%~2%。
应用重量法测定二氧化硅时,需要注意的是:正确掌握蒸干、凝聚条件、凝聚后的体积以及沉淀过滤的方法。一般例行分析中,不需要对滤液中的二氧化硅进行校正,但在精密分析中需进行校正。
3.4.1.2 滴定法测定二氧化硅
氟硅酸钾滴定法测定二氧化硅是一种间接滴定法,即氟硅酸钾沉淀分离-酸碱滴定法,广泛应用于水泥、冶金、新型无机材料、玻璃制品及其原料中二氧化硅的测定。
氟硅酸钾容量法的基本原理:在镍坩埚中,以KOH(或NaOH和Na2CO3)作熔剂,将试样熔融,然后用硝酸分解熔融物。在过量的氟离子和钾离子存在的强酸性溶液中,使硅酸形成氟硅酸钾沉淀(K2SiF6),经过滤、洗涤、沉淀及中和滤纸上的残余酸后,加沸水,使氟硅酸钾沉淀水解生成定量的氢氟酸,以酚酞为指示剂,用氢氧化钠标准溶液进行滴定,由消耗氢氧化钠标准溶液的体积计算二氧化硅的含量。
氟硅酸钾测定二氧化硅的关键两步是控制生成沉淀以及沉淀的洗涤、中和残余酸。具体实验条件(如酸度、温度、KCl、KF加入量等)可参照国标选择。目的是尽可能使所有H2SiO3全部转化为K2SiF6沉淀,并且要防止K2SiF6水解损失。
氟硅酸钾容量法检测结果准确,费时较少,但测定条件要求较高,影响因素较多,而且与操作者熟练程度有很大的关系。
3.4.1.3 分光光度法测定二氧化硅
试样中SiO2含量在2%以下时,宜用分光光度法测定,分为硅钼黄和硅钼蓝分光光度法两种。
硅钼黄法是在一定条件下单硅酸与钼酸铵反应,生成黄色可溶性硅钼杂多酸配合物,在一定浓度范围内,黄色配合物的吸光度与硅酸的浓度成正比,于440nm波长处测定其吸光度,进而求得二氧化硅的浓度。
硅钼蓝法是把硅钼黄法生成的硅钼黄用还原剂还原成蓝色的配合物(即硅钼蓝)。在一定浓度范围内,蓝色配合物的吸光度与硅酸的浓度成正比,于680nm波长处测定其吸光度,进而求得二氧化硅的浓度。
比较这两种方法的测定原理可发现:“硅钼蓝法”是在“硅钼黄法”的基础上多了一步还原显色反应,所以“硅钼蓝法”的操作步骤要多一些,操作时间也要长一些。硅钼黄法可以测出比硅钼蓝法含量较高的二氧化硅,即硅钼蓝法检出限更低,灵敏度更高。因此在一般分析中,对少量二氧化硅的测定都采用硅钼蓝分光光度法。
用分光光度法测定二氧化硅时,最关键的问题是必须将试样中的硅全部转入溶液中,并以单分子硅酸状态存在。因此在制备试样溶液时,为了获得稳定的单硅酸溶液,一般多用碳酸钾(碳酸钠)-硼砂混合溶剂(2∶1)、苛性钠或苛性钾分解试样,并且采用逆酸化法,即以熔剂熔融后用水浸出所制得的碱性溶液,迅速倒入稀盐酸中,使溶液由碱性迅速越过pH=3~7的范围,成为pH=0.5~2的酸性溶液,这样可大大地减少聚合硅酸的形成。另外,溶液的酸度、温度以及共存离子等因素对测定结果都有影响,因此应根据实际情况采取相应措施以减少或消除其可能产生的误差。
总之,测定二氧化硅含量的各种方法各有优缺点,实际应用中要根据待测试样的具体特点进行分析,以选取合适的测定方法。