铝合金中铝含量的测定 实验报告

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铝合金中铝含量的测定 2020-06-09

一、实验目的和要求 1. 了解返滴定法、置换滴定法的原理和方法。 2. 掌握复杂物质的分析方法，以提高分析问题、解决问题的能力。 3. 掌握铝合金中铝的测定原理和方法。 二、实验内容和原理 (一) 明确滴定方法 1. 滴定方法 由于Al3+与EDTA反应慢，需在过量EDTA中，且加热才可能反应完全；EDTA本身对二甲酚橙等指示剂也有封闭作用；当溶液酸度不高时，Al3+易水解生成多核羟基络合物，且与EDTA络合比不恒定，考虑到以上三种原因，因此Al3+不能用EDTA直接准确滴定。 故通常采用返滴定法和置换滴定法来滴定Al3+。 2. 确定反应的pH值(设[Al3+] = 0.010 mol/L) （1） 最低pH值——由准确滴定的判别式计算 lgKAlY = 16.30，lgαY(H) = lgK’AlY – 8 = 16.30 - 8.0 = 8.30 查酸效应系数得：pHmin = 4.1 （2） 最高pH值——由Al3+水解的Ksp (10-32.9)计算 𝑠𝑝[𝑂𝐻−]=√[𝐴𝑙3+]=√3𝐾310−32.910−2=10−10.30，pHmax = 3.7 (二) 测定铝含量 1．返滴定法 适用于被测物M对指示剂有封闭作用；被测物M与Y络合反应慢；且M易水解的情况。 加入定量且过量的EDTA标准溶液，在pH≈3.5的环境下加热煮沸几分钟，使络合完全。继续在pH为5~6的溶液中，以二甲酚橙(XO)为指示剂，用Zn2+标准溶液滴定过量的EDTA，使AlY-与ZnY2-之间发生反应，当溶液由黄色恰好变为紫红色时，即为滴定终点。根据消耗的EDTA和Zn2+标液的量，可以计算铝试样中Al的含量。 pH = 3.5时，Al3+(试液) + H2Y2- (过量) = AlY- + 2H+ Y4-(剩) pH = 5~6时，加XO指示剂，用Zn2+盐标液滴定剩余的Y4- 反应方程式为：Zn2+ + H2Y2- (剩) = ZnY2- + 2H+ 终点时：Zn2+ (过量) + XO (黄色) = Zn-XO (紫红色) 铝含量的计算公式为： [(𝑐𝑉)EDTA−(𝑐𝑉)Zn2+]×10−3×𝑀Al𝑤(Al,%)=×100% 𝑚𝑠[(𝑐𝑉)EDTA−(𝑐𝑉)Zn2+]×10−3×𝑀Al𝑤(Al,%)=×100% 25.00𝑚𝑠×250.02．置换滴定法（本实验采用） 加入过量的EDTA标准溶液(不需要准确)，在pH≈3.5的环境下加热煮沸几分钟，使络合完全。继续在pH为5~6的溶液中，以二甲酚橙(XO)为指示剂，用Zn2+标准溶液滴定过量的EDTA，使AlY-与ZnY2-之间发生反应，当溶液由黄色恰好变为紫红色时，即为第一次滴定终点。 然后加入过量的NH4F，加热至沸，使AlY-与F-之间发生置换反应，生成的的Y4-再与Zn2+发生置换。加入二甲酚橙(XO)指示剂，用Zn2+标液滴定释放出来的EDTA，当溶液由黄色恰好变为紫红色时，即为第二次滴定终点。 根据第二次消耗的Zn2+标液的量，可以计算出铝试样中Al的含量。 pH = 3.5时，Al3+(试液) + H2Y2- (过量) = AlY- + 2H+ Y4-(剩) pH = 5~6时，加XO指示剂，用Zn2+盐标液滴定剩余的Y4- 反应方程式为：Zn2+ + H2Y2- (剩) = ZnY2- + 2H+ 第一终点：Zn2+ (过量) + XO (黄色) = Zn-XO (紫红色) 置换反应：AlY- + 6F- = AlF63- + Y4- (置换) Zn2+ + Y4- (置换) = ZnY2- 第二终点：Zn2+ (过量) + XO (黄色) = Zn-XO (紫红色) 铝含量的计算公式为： (𝑐𝑉)Zn2+×103×𝑀Al𝜌(Al,𝑚𝑔/𝐿)= 𝑉𝑠3+ 三、主要仪器设备 1. 试剂 NaOH (200 g·L-1)；HCl (1+1)&(1+3)；EDTA (0.02 mol·L-1)；二甲酚橙 (2g·L-1)；氨水(1+1)； 六次甲基四胺(200 g·L-1)；Zn2+标准溶液(0.02 mol·L-1)；NH4F (200 g·L-1)；铝合金试样 2. 仪器 分析天平；酸式滴定管；称量瓶；容量瓶；锥形瓶；烧杯 四、实验操作方法和步骤 1. 返滴定法 1) 用Zn2+标准溶液润洗酸式滴定管至少三次。 2) 在酸式滴定管中倒入Zn2+标准溶液至0刻度线以上，将50 mL烧杯放置在滴定管下方，旋转旋塞至垂直状态，放出液体至0刻度线附近，从滴定台上取下滴定管，读数，记录体积V0(mL)。 3) 用25 mL移液管吸取25 mL铝盐溶液至250 mL锥形瓶中，加入30 mL EDTA溶液，然后滴加4滴二甲酚橙(XO)指示剂。逐滴加入氨水至溶液呈现紫红色，逐滴加入HCl至溶液呈现黄色。将锥形瓶放在电炉上加热煮沸3 min。 4) 加热完毕后，将锥形瓶放至石棉网上冷却。再加入20 mL六亚甲基四胺溶液。 5) 将锥形瓶移至滴定管下方，用Zn2+标准溶液滴定，当溶液由黄色恰好变为蓝色时，即为滴定终点。 6) 取下滴定管，记录此时的EDTA溶液的体积V1 (mL)。 7) 平行测定三份。 2. 置换滴定法 1) 在酸式滴定管中倒入Zn2+标准溶液至0刻度线以上，将50 mL烧杯放置在滴定管下方，旋转旋塞至垂直状态，放出液体至0刻度线附近，从滴定台上取下滴定管，读数，记录体积V00(mL)。 2) 准确移取试液25.00 mL于250 mL锥形瓶中，加30 mL EDTA溶液(保证适当过量，要使溶液pH达到3.5左右，可用甲基红作为指示剂来调节)，1滴二甲酚橙(XO)指示剂，此时溶液为黄色，加氨水至溶液呈紫红色，再加(1+3) HCl溶液，使呈黄色。煮沸约3min，冷却。 3) 加20 mL六次甲基四胺，此时应为黄色，如果呈红色，需滴加(1+3) HCl，使其变黄。 4) 滴加Zn2+标准溶液，使其与剩余的EDTA络合，当溶液恰好由黄色变为紫红色时停止滴定，不计消耗EDTA的体积。 5) 于上述溶液中加入10 mL NH4F，加热至微沸，使AlY-变成AlF63-，流水冷却，再补加1~2滴二甲酚橙指示剂，此时溶液为黄色。 6) 再用Zn2+标液滴定，当溶液由黄色恰好变为紫红色时即为终点，取下滴定管，记录此时的EDTA溶液的体积V2 (mL)。 7) 根据这次Zn2+标液所消耗的体积，计算铝的质量分数。 8) 平行测定三份。计算铝的含量溶液浓度(mg/L)、平均偏差、相对平均偏差。 五、实验记录与处理 铝合金中铝含量的测定 2020-06-09 序号 项目 𝑐𝑍𝑛2+/(𝑚𝑜𝑙/𝐿) 铝盐 𝑉s/(𝑚𝐿) V0/mL V1/mL 返滴定 𝑉𝑍𝑛2+/𝑚𝐿 Ⅰ Ⅱ 0.01005 25.00 Ⅲ 0.10 10.08 9.98 0.11 17.96 17.85 193.60 0.11 10.08 9.97 0.08 18.95 18.87 204.66 199.38 3.86 1.94% 0.07 10.08 10.01 0.17 18.60 18.43 199.89 V00/mL V2/mL 置换滴定 𝑉𝑍𝑛2+/𝑚𝐿 𝜌𝐴𝑙/(mg/L) 𝜌̅𝐴𝑙/(mg/L) 平均偏差𝑑 ̅̅相对平均偏差̅𝑑𝑟 表 1 铝合金中铝含量的测定 数据记录表 注：表1中取 𝑀𝐴𝑙=26.98 𝑔/𝑚𝑜𝑙 数据处理过程（以第Ⅰ组为例）： (𝑐𝑉)Zn2+×103×𝑀Al0.01005×17.85×103×26.98𝜌𝐴𝑙===193.60 𝑚𝑔/𝐿 𝑉25.00𝑠𝜌1+𝜌2+𝜌3193.60+204.66+199.89𝜌̅𝐴𝑙===199.38 𝑚𝑔/𝐿 𝑛3̅|+|𝜌2−𝜌̅|+|𝜌3−𝜌̅|5.78+5.28+0.51|𝜌1−𝜌𝑑=𝑛=3=3.86 ̅̅𝑟̅=𝑑 𝑑3.86=×100%=1.94% 𝜌̅𝐴𝑙199.38六、实验结果及分析 1. 实验结果 本实验采用置换滴定法，用Zn2+标准溶液滴定过量的EDTA，通过控制溶液pH环境，使Al3+与过量的EDTA充分反应，用Zn2+标准溶液滴中和过量的EDTA，再用一定量的NH4F置换出同铝络合的EDTA，接着用Zn2+标准溶液滴定释放出来的EDTA，计算得铝合金样品中铝的含量为199.38 mg/L，相对平均偏差为1.94%。 2. 问题分析 1) 为什么不能用EDTA络合滴定法直接准确测定铝？ ① Al3+与EDTA反应慢，需在过量EDTA中，且加热才可能反应完全。 ② Al3+本身对二甲酚橙等指示剂也有封闭作用，Al-XO比Al-Y更稳定，即在终点时不能形成Al-Y，因而不能指示终点的到达。 ③ 当溶液酸度不高时，Al3+易水解生成多核羟基络合物，且与EDTA络合比不恒定，故不能用直接法进行滴定。 2) 在NH4F置换EDTA络合滴定铝中，分析指示剂二甲酚橙几次颜色变化的原因。 终点时：Zn2+ (过量) + XO (黄色) = Zn-XO (紫红色) pH<6 pH>6.3 加入过量的EDTA标准溶液，在pH≈3.5的环境下加热煮沸几分钟，使络合完全。继续在pH为5~6的溶液中，以二甲酚橙(XO)为指示剂，用Zn2+标准溶液滴定过量的EDTA，使AlY-与ZnY2-之间发生反应Zn2+ + H2Y2- (剩) = ZnY2- + 2H+，当过量的EDTA被滴定完，此时Zn2+过量，会与XO反应生成Zn-XO，指示剂由黄色变为紫红色。此时为XO的第一次颜色变化。 加入F-后，发生反应AlY- + 6F- = AlF63- + Y4-，由于AlF63-比AlY-更稳定，所以Y4-析出。然后用Zn2+标液去滴定被置换出的Y4-，发生反应Zn2+ + Y4- (置换) = ZnY2-，过量的Zn2+会与XO反应生成Zn-XO，此时指示剂由黄色变为紫红色。此时为XO的第二次颜色变化。 3) 置换滴定或返滴定，第一次终点，是否需要准确滴定？是否需要记录Zn2+标液的体积？为什么？ 第一次需要准确滴定至指示剂变色，但不需要记录Zn2+标液体积。因为第一次使用Zn2+标液是滴定过量的EDTA，也即未与Al3+反应的EDTA，所以可以不计体积。但必须准确滴定溶液由黄色变为紫红色，否则溶液中还有剩余EDTA，使结果偏高。 七、结论与体会 1. 本实验中采用置换滴定法测定Al3+的含量，最后是用Zn2+标准溶液的体积和浓度计算试样中Al3+ 的含量，所以使用的EDTA溶液不需要标定。 2. 在用EDTA与Al3+反应时，EDTA应过量，否则反应不完全。 3. 加入二甲酚橙指示剂后，如果溶液为紫红色，则可能是样品含Al量较高，EDTA加入量不足，应补加；也有可能是溶液pH > 6，二甲酚橙显红色，这是需用(1+3) HCl调节至黄色。 4. 第一次用Zn2+标液滴定时，应准确滴至紫红色，但不计体积；第二次用Zn2+标液滴定时，应准确滴至紫红色，并以此体积计算Al的含量。 5. Zn2+标准溶液的浓度应该是准确浓度。 6. 测定简单试样中的Al3+含量时用返滴定法即可，而测定复杂试样中的Al3+则须采用置换滴定法。因为试样简单，金属离子种类很少，加入一定过量的EDTA时只有Al3+形成络离子，过量的EDTA能准确被滴定。而复杂试样中金属离子的种类较多，条件不易控制，加入的EDTA还要和其它离子反应，所以就不能用剩余的EDTA直接计算Al3+的含量，还需要再置换出与Al3+络合的EDTA。 7. 一定要保证移液管下端靠壁，待溶液全部流出移液管后，再保持停留10 s，使移液管中挂壁溶液完全流出，减少偏差。 8. 滴定管一定要用滴定溶液重复润洗三次，并排除旋塞下的气泡。使用滴定管时，手掌心不要顶住旋塞，避免松动造成漏液。 9. 滴定时，滴定管伸入锥形瓶约1cm，左手不能离开旋塞，需观察溶液颜色变化，不要去看滴定管中溶液体积变化。进行滴定时注意控制滴速，开始滴定时可稍快，但应成滴而不成流，速度为3～4滴/秒时较为合适，滴定至近终点时，减慢滴定速度（滴一滴摇几下）。滴定速度不宜过快，否则会出现液滴挂壁，影响最终读数。进行读数时，需取下后保持垂直状态平视读取，眼睛平视弯月面最低处。 10. 仿真系统将溶液放在零刻度以下，读数确定初值；实际操作中要求滴定管滴定从零刻度开始。 11. 每一次滴定需重新装满溶液，调至零点进行滴定；读数手拿液面以上。