Анализ силикатной породы
В состав горных силикатных пород, которые имеют весьма сложный минералогический состав, могут входить почти все элементы периодической системы. Однако содержание этих элементов в различных породах не одинаково. Практически при обычных анализах силикатных горных пород и минералов определяют содержание следующих компонентов: SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, TiO2, MnO, CaO, MgO, Na2O, K2O, CO2, P2O5, SO3 и воды. В сумме эти компоненты составляют примерно 100 % . Наличие других компонентов, содержащихся в этих пробах, составляет сотые, тысячные и более мелкие доли процента и их определяют лишь при отдельных специальных исследованиях.
Для определения компонентов анализируемый силикат прежде всего должен быть переведен в растворимое состояние. По растворимости силикаты можно разделить на силикаты, разлагаемые кислотами, и силикаты, не разлагаемые кислотами. Для разложения используют следующие минеральные кислоты HCl, HNO3, HClO4, H2SO4.
H2SO4 как растворитель используется редко вследствие малой растворимости некоторых сульфатов щелочноземельных металлов (Ca, Ba, Sr ) и Pb. Кроме того, H2SO4 образует довольно устойчивые комплексные соединения с рядом элементов: Me2[V2O2(SO4)3], [Pb(SO4)2]2-. Обычно H2SO4 применяется в сочетании с HF. Хлорная кислота HClO4 - хороший растворитель, однако недостатком ее является способность при концентрировании взрываться в присутствии хотя бы следов органических веществ.
Силикаты, разлагаемые кислотами, называются основными силикатами. Это - нефелин, цеолиты. Средние и кислые силикаты, не разлагаемые кислотами, требуют сплавления ( или спекания ) с различными плавнями. К ним относятся такие силикатные породы, как граниты, базальты, полевые шпаты, слюды и др. Эта группа силикатов наиболее многочисленна.
Принадлежность силиката к той или иной группе может быть определена так называемым коэффициентом кислотности, под которым понимают отношение числа атомов кислорода, связанных с кремнием, к числу атомов кислорода, связанных со всеми другими элементами. Для силиката типа a Me2O х b MeO х c Me2O3 х d SiO2 коэффициент кислотности вычисляется по формуле
Например. Ca3Al2(
SiO4)3
или 3 CaO
х
Al2O3
х
3 SiO2
,
Если коэффициент кислотности меньше 2, то такие силикаты относятся к группе основных силикатов и будут легко разлагаться минеральными кислотами. Для средних и кислых силикатов, содержащих более 50 % SiO2, коэффициент кислотности больше 3-4 и поэтому силикатные породы, которые относят к этой группе, не будут разлагаться минеральными кислотами. Для переведения их в растворимое состояние необходимо производить сплавление с шелочными плавнями : Na2CO3, K2CO3, KNaCO3,Na2B4O7 10 H2O, смесь карбонатов щелочных металлов с окислителями ( KNO3 и др.)
Ca3Al2( SiO4)3 + 4 KNaCO3 = 2 K2SiO3 + Na2SiO3 + 3 CaCO3 + 2 NaAlO2 + CO2
Полученный плав выщелачивают водой и разбавленной HCl и определяют в растворе главные его компоненты : SiO2 , Al2O3 , CaO.
Некоторые трудно сплавляемые минералы, такие, как циркон, ниобаты, танталаты, титанаты и др., переводят в растворимое состояние с помощью кислых плавней: KHSO4, B2O3, KHF2, K2S2O7 . B2O3 используется как самостоятельно, так и в смеси с карбонатом калия натрия KNaCO3. Почти все силикаты, кроме топаза, минералов группы силиманита Al2SiO5, некоторых турмалинов, могут быть переведены в растворимое состояние при обработке их смесью кислот HF + H2SO4 ( Метод Берцелиуса ). Это метод основан на прямой отгонке Si (IV) в виде летучих соединений SiF4, H2SiF6.
Методика разложения силиката.
Берут 0,4-0,5 г хорошо измельченной пробы силикатной породы. В фарфоровой ступке растирают безводный KNaCO3 и отвешивают его на технохимических весах в шестикратном количестве по отношению к навеске образца. Навеску KNaCO3 тщательно перемешивают в бюксе со взятой навеской анализируемого образца при помощи стеклянной палочки. На дно чистого Pt тигля насыпают слой хорошо растертого плавня KNaCO3 и переносят в тигель смесь образца с плавнем; бюкс несколько раз тщательно “ополаскивают” растертым плавнем и переносят последний в Pt тигель, покрывая им смесь анализируемого образца с плавнем. Тигель закрывают крышкой, нагревают на медленном огне горелки 5-10 мин., затем усиливают огонь и дают массе хорошо расплавиться. Сплавление продолжают еще 20-30 мин. в муфельной печи при 8000 С до полного разложения породы. Процесс сплавления считают законченным, когда жидкая масса однородна ( без плавающих крупинок). Снимают крышку тигельными щипцами и опускают ее в чистую сухую фарфоровую чашку, взяв тигель тигельными щипцами ( не следует погружать кончики щипцов в расплав), осторожно вращательными движениями распределяют в нем расплавленную массу по стенкам тигля, после чего тигель быстро погружают в чистую фарфоровую чашку или химический стакан, наполненный наполовину дистиллированной водой. Следует избегать попадания воды внутрь тигля. После полного охлаждения плава содержимое тигля выщелачивают дистиллированной водой. Для этой цели тигель ставят в чистую фарфоровую чашку с горячей водой, наполняют его горячей дистиллированной водой, закрывают крышкой и дают постоять до тех пор, пока затвердевшая масса не отстанет от стенок тигля. Последние следы плава удаляют обработкой несколькими каплями разбавленной HCl. Все переносят в стакан, закрывают его часовым стеклом во избежание разбрызгивания вследствие выделения CO2. Внутреннюю поверхность крышки также обрабатывают разбавленной HCl. Затем тигель и крышку ополаскивают дистиллированной водой. В стакан вносят примерно 10 мл концентрированной HCl. Ставят на водяную баню и нагревают до полного прекращения выделения CO2. Раствор в стакане должен быть кислым. Обычно после разложения плава кислотой раствор выпаривают досуха. При этом происходит конденсационная полимеризация мономерной кремниевой кислоты :
2 Si(OH)4 (HO)3SiOSi(OH)3 + H2O
И так далее с образованием полимеризованной кремниевой кислоты с общей формулой
SinOn-1 ( OH)2n+2. При выпаривании происходит дегидратация геля.