帥林陽,卜道露,成俊燁
(1.中國地質調查局應用地質研究中心,四川 成都 610036;2.中國地質大學(武漢),湖北 武漢 430074)
巖石分析的主要目的在于,從其組分的含量了解元素的集中、分散,研究巖漿的來源,闡明巖石的成因等地質問題。硅酸鹽巖石的組分千差萬別,可以說硅酸鹽巖石分析是無機物分析領域中難度最大的化學分析[1-3]。其中FeO 的測定,大型儀器無法發(fā)揮作用,依然離不開化學分析法。測定硅酸鹽巖石中的氧化亞鐵,主要有重鉻酸鉀容量法、偏釩酸銨間接滴定法和1,10-鄰二氮菲光度法[4-6],溶樣方式為酸溶,主要有氟化鈉-鹽酸和氫氟酸-硫酸2 種溶樣體系[10-11]?,F(xiàn)在各實驗室大都采用國家標準GB/T 14506.14—2010 方法進行亞鐵的分析[7],具有良好的精密度和準確度,但國標方法是僅對操作步驟進行了簡要介紹,未對部分關鍵影響因素,如電熱板溫度選擇、加熱時間和如何避免溶樣時的氧化還原干擾等做明確,且該方法采用鉑金作為溶樣工具,大大增加了測試成本,不適合大批樣品的測定。生產(chǎn)實踐中,筆者遇到了測定結果偏低、溶液渾濁難判定滴定終點等問題,經(jīng)過探索,對實驗條件進行改進優(yōu)化,建立了以硫酸、氫氟酸為溶劑,CO2氛圍保護亞鐵,于聚四氟乙烯坩堝中封閉溶樣,用重鉻酸鉀滴定法測定氧化亞鐵量的新方法,經(jīng)過實際樣品分析,該方法經(jīng)濟、準確、重現(xiàn)性好。
重鉻酸鉀標準滴定液c(K2Cr2O7)=0.002 319 mol·L-1:稱取0.682 5 g 預先經(jīng)150 ℃干燥2 h 的基準重鉻酸鉀,溶解于水中,移入1 000 mL 容量瓶中,用水稀釋至刻度,搖勻。
二苯胺磺酸鈉水溶液(5 g·L-1),磷-酸混酸,硫酸亞鐵銨溶液;飽和硼酸溶液,硫酸,氫氟酸,(1+1)硫酸,(5+95)硫酸,碳酸氫鈉。(所用試劑均為分析純,實驗用水為去離子水)。
電子天平(萬分之一),25 mL 酸式滴定管,電熱板,燒杯,聚四氟乙烯坩堝(50 mL)。
根據(jù)氧化亞鐵含量范圍稱取試樣于50 mL 聚四氟乙烯坩堝中,加入一定量的碳酸氫鈉,用少量水潤濕,加入5 mL 氫氟酸,再加10 mL 近沸的(1+1)硫酸,蓋上坩堝蓋,加熱煮沸10 min,取下,立即將坩堝放入預先盛有200 mL 含有25 mL 飽和硼酸的新煮沸的水中,加入15 mL 磷-硫混酸,2 滴二苯胺磺酸鈉溶液為指示劑,用重鉻酸鉀標準滴定溶液滴定至穩(wěn)定的紫色為終點。
隨同測定樣品空白2 份,取平均值記V0,F(xiàn)eO含量以%表示,計算公式如(1):
式中:V—試料消耗重鉻酸鉀溶液的體積,mL;
V0—空白消耗重鉻酸鉀溶液的體積,mL;
T—重鉻酸鉀標準溶液對FeO 的滴定度,mg/mL;
m—試料稱樣量,g;
A—試料吸附水的質量分數(shù)。
國標方法中未對溶樣溫度進行明確。若溫度過低,達不到微沸狀態(tài),易導致溶樣不充分。若溫度過高,可能導致溶液過沸飛濺,不能達到準確的測量結果。聚四氟乙烯(PTFE)坩堝適用溫度范圍-200~250 ℃,加熱溫度不宜過高,否則易導致變形。有學者研究滴定法測定鐵礦石中亞鐵含量時,認為220 ℃為最佳[6]??紤]到硅酸鹽巖石與鐵礦石巖石組成有所不同,其最優(yōu)的溶樣溫度應單獨實驗。以GSR-3和GSR-15為對象,對比了210、220、230 ℃的溶樣條件下的滴定結果。其中230 ℃便出現(xiàn)了試樣沸騰濺出的情況,故不再試驗240 ℃及以上溫度。從表1 結果判斷,在220 ℃下溶樣測試效果更好。
表1 溶樣溫度對測定FeO 的影響
由于封蓋溶樣,無法觀察坩堝內是否已沸騰,不能確認從何時開始微沸10 min。而用氫氟酸-硫酸分解樣品,長時間的加熱應當避免,否則發(fā)生氧化反應:
尤其在大量氟離子存在下,亞鐵更易氧化[8]。實驗研究了10、12、15 min 溶樣時間下的測定結果,從表2 可知,加熱12~15min 樣品已溶解完全,實驗選擇12~13 min 為溶樣加熱時間。
表2 溶樣時間對測定FeO 的影響
測定鐵礦石中亞鐵含量時,常用加入碳酸氫鈉的方式保護亞鐵不被氧化。加入酸后,碳酸氫鈉與酸反應迅速在底部產(chǎn)生二氧化碳,實現(xiàn)將空氣趕走的目的。溶解鐵礦石樣品時,有人認為用量2 g 效果更好,也有人認為對于300 mL 的錐形瓶,1 g 碳酸氫鈉用量足夠[4-5]。鐵礦石分析方法對于硅酸鹽巖石樣品分析有一定參考意義,研究對比了0.5 g、1 g碳酸氫鈉用量下的滴定結果,結果表明對于50 mL中聚四氟乙烯坩堝,0.5 g 用量足夠。
表3 碳酸氫鈉用量的選擇
氫氟酸濃度大時,雖有利于試樣分解,但由于氟離子與三價鐵離子能生成穩(wěn)定配合物而促進亞鐵氧化,因此氫氟酸的用量不宜過大[8]。實驗表明,采用國標方法,5 mL 氫氟酸和10 mL(1+1)硫酸,可充分分解試樣。
按照國標方法,每次加2 滴指示劑,但是當樣品中有機質含量高時可使分解后的溶液帶色,導致滴定終點難以判斷,通過實驗發(fā)現(xiàn),加滴2 滴二苯胺磺酸鈉可使滴定終點的顏色突變更加明顯。指示劑本身具有氧化還原性質,會消耗重鉻酸鉀,加入量應保持一致。筆者建議樣品和空白中均加4 滴指示劑。
從經(jīng)濟角度考慮,PTEF 坩堝應清洗干凈重復使用。實驗發(fā)現(xiàn)溶樣后,坩堝內壁易附著一些黑色物質,難以洗去。50%硝酸浸泡過夜、王水浸泡過夜和洗衣粉清洗的方法,均難以洗除??捎萌鯄A性肥皂水將黑色附著物洗凈。
主要有2 種組分對硅酸鹽中FeO 的測定存在干擾:硫化物和高價錳。硫化物主要在黃鐵礦中存在較多,在樣品分解同時放出硫化氫,可將3 價鐵還原為亞鐵,導致亞鐵結果偏高。當硫化物量大時,可加入 4%氯化高汞溶液使硫化物形成難溶復鹽HgS·HgSO4,減輕其影響[8]?;鸪蓭r中,錳多以二價狀態(tài)存在,對亞鐵的測定無影,但在沉積巖中常見錳的高價氧化物,尤其是MnO,大量高價錳會在溶樣時將亞鐵氧化,使結果偏低,可用鹽酸羥胺作為高價錳的選擇性溶劑,減輕其影響[10]。一般硅酸鹽巖石中,硫化物和錳量甚低,其干擾??珊雎浴T?個不同國家標準物質的檢測中,干擾元素對FeO 的測定基本無影響。
為驗證優(yōu)化后方法的可靠性,筆者選取巖石、土壤、水系沉積物標準物質各兩種,每種標準平行6 份,進行了檢測。結果見下表,36 個分析結果有1 個超出重復性限,合格率 97%,滿足《GB/T 14506.14—2010》的重復性限要求[5]。
表4 實際樣品中FeO 測定結果重復限性數(shù)據(jù)
根據(jù)《DZ/T 0130.3—2006 地質礦產(chǎn)實驗室測試質量管理規(guī)范·第三部分:巖石礦物樣品化學成分分析》[11],分別計算準確度要求YB、精密度要求YC。分析結果均能滿足規(guī)范的準確度和精密度要求,數(shù)據(jù)見表5。
表5 實際樣品中FeO 測定結果的精密度準確度
對重鉻酸鉀法測定硅酸鹽中亞鐵量的國標方法進行了改進,優(yōu)化了溶樣溫度、時間和防止氧化的措施,且不需要再鉑金坩堝中進行溶樣,更加經(jīng)濟。
經(jīng)過實際樣品分析驗證,該方法準確性和精密度較好,不僅適用于硅酸鹽巖石樣品,對土壤和水系沉積物樣品同樣適用,可用于大批量生產(chǎn)分析。