實驗二-五水硫酸銅的制備

實驗二 五水硫酸銅的制備一實驗目的1. 學習由不活潑金屬與酸作用制備鹽的方法及重結晶法提純物質(zhì)。2.練習和掌握臺天平、蒸發(fā)皿、坩堝鉗、表面皿的使用。3.學會傾潷法，減壓過濾，溶解和結晶；固體的灼燒。二實驗原理1.制備原理：Cu + 2HNO3 + H2SO4 =CuSO4 +2NO2() + 2H 2OCuSO4 +5H2O = CuSO45H2O銅是不活潑金屬，不能直接和稀硫酸發(fā)生反應制備硫酸銅，必須加入氧化劑。在濃硝酸和稀硫酸的混合液中，濃硝酸將銅氧化成Cu2+，Cu2+與SO42-結合得到產(chǎn)物硫酸銅。2.提純原理：未反應的銅屑（不溶性雜質(zhì)）用傾潷法除去。利用硝酸銅的溶解度在273K373K范圍內(nèi)均大于硫酸銅溶解度的性質(zhì)，溶液經(jīng)蒸發(fā)濃縮后析出硫酸銅，經(jīng)過濾與可溶性雜質(zhì)硝酸銅分離，得到粗產(chǎn)品。硫酸銅的溶解度隨溫度升高而增大，可用重結晶法提純。在粗產(chǎn)品硫酸銅中，加適量水，加熱成飽和溶液，趁熱過濾除去不溶性雜質(zhì)。濾液冷卻，析出硫酸銅，過濾，與可溶性雜質(zhì)分離，得到純的硫酸銅。T/K273293313333353373五水硫酸銅23.132.044.661.883.8114.0硝酸銅83.5125.0163.0182.0208.0247.0三主要儀器與試劑1 儀器 燒杯 量筒 熱過濾漏斗 減壓過濾裝置 臺稱 坩堝鉗，蒸發(fā)皿。2 試劑 Cu (s) 、 H2SO4、 HNO3(2.5mol/L; 0.5mol/L)四操作步驟操作現(xiàn)象及解釋注意事項1 稱量1.5g銅屑，灼燒至表面呈現(xiàn)黑色，冷卻；紅色銅片變成黑，銅片表面被氧化了Cu(s,紅色) + O2CuO(s,黑色)灼燒銅片時，要先小火預熱，蒸發(fā)皿放在泥三角上，先均與加熱再集中加熱，玻璃棒不要直接碰蒸發(fā)皿壁，坩堝鉗要預熱，2 加5.5mL3molL-1硫酸，2.5mL濃硝酸，反應平穩(wěn)后水浴加熱，補加2.5mL3molL-1硫酸，0.5mL濃硝酸；加濃硝酸之后有黃棕色氣體生成，溶液呈藍色。Cu + 2HNO3 + H2SO4 = CuSO4+2NO2() + 2H 2OCu2+在水溶液中呈藍色，NO2是紅棕色氣體,水浴加熱時水在大燒杯的2/3處，第一次加完酸后，要等反應平穩(wěn)后才水浴加熱，如在反應激烈時水浴加熱，由于溫度提高，使反應速度提高，反應更激烈，溶液有可能溢出容器；而且要在蒸發(fā)皿上蓋表面皿，因為水浴加熱反應的同時，也在蒸發(fā)濃縮溶液，體系溶劑減少，產(chǎn)物硫酸銅會析出，包在未反應的銅屑外面，使反應速度減慢，故要加蓋表面皿。3 銅近于完全溶解后，趁熱傾潷法分離；沒有殘余物，因為用的是純銅片，都能被混酸溶解。4 水浴加熱，蒸發(fā)濃縮至結晶膜出現(xiàn)；從中間成膜，濃縮溶液后，溶液達到過飽和，就會有晶體析出。由于溶劑在溶液表面蒸發(fā)快，溶液表面容易達到過飽和而析出晶體，當溶液表面被晶體鋪滿時，出現(xiàn)由晶體形成的膜，這就是晶體膜。從中間結膜好,從邊上結膜說明邊上溫度高,容易失水變白5 冷卻、過濾；得到藍色晶體CuSO4 +5 H2O = CuSO45H2O （藍色晶體）從濾瓶中倒出液體時要快，所以事先準備好干的小燒杯6 粗產(chǎn)品以1.2mL水/g的比例，加熱溶于水，趁熱過濾；濾液呈藍色Cu2+在水溶液中呈藍色7 濾液冷卻 、過濾；得到純凈的五水硫酸銅晶體逐漸長出藍色晶體，先是棒狀，再長大呈棱形。CuSO4 +5H2O = CuSO45H2O（藍色晶體）五實驗結果及分析結果：1.上述得到的粗產(chǎn)品的重量為：5.30g2.重結晶后得到的產(chǎn)品重量為：2.39 g分析：1. Cu CuSO4 CuSO45H2O(s) 64 160 250 1.5g 3.75g 5.86g產(chǎn)率 = 5.30g/5.86g100% = 90.4%2.理論重結晶率為：(83. 8g-27.5g)/83.8*100%=67.2%實際重結晶率為：2.39 / 5.30 * 100% = 45.1%(在283K與353k時的溶解度分別為27.5g/100g水、83.8g/100g水)六討論：1.列舉從銅制備的其他方法，并加以評述。答：由銅制備硫酸銅時銅的價態(tài)升高了，因此各種制備方法的共同點是找一個氧化劑。氧化劑不同，制備上有差異，因此，每一種制備方法均有優(yōu)缺點，請根據(jù)此思路考慮其他制備方法。同樣由銅制備氯化銅、醋酸銅的關鍵也是找氧化劑，只是酸根不同而已?？上葘~通風加熱,制取氧化銅,再將氧化銅與稀硫酸反應制備硫酸銅2Cu+O2=2CuO(加熱)CuO+H2SO4=CuSO4+H2O2.計算1.5g銅完全反應所需要的3mol/L硫酸和濃硝酸的理論值，為什么要用3mol/L硫酸？答： (1.5g /64g/mol)(31000mol/mL) = 7.8mL反應中生成了硫酸銅，為了避免硫酸銅析出而包裹銅阻止反應的進行，為使銅和硝酸的氧化反應繼續(xù)進行，體系要有足夠的水，通過溶解度的計算可知在濃硝酸確定的情況下，用3molL-1的硫酸能使生成的產(chǎn)物溶解而不析出。 思考題：1.硝酸在制備過程中的作用是什么？為什么要緩慢分批加入，而且盡量少加？答：硝酸是氧化劑。加快了會有大量氣體放出，會夾帶溶液，使溶液溢出容器；分批加是為充分利用硝酸，避免未反應的酸在加熱時分解。反應時，硝酸加多了，會導致粗產(chǎn)品中含有較多的硝酸銅，致使粗產(chǎn)品呈綠色。2.在粗產(chǎn)品的制備 過程中，分離了哪些雜質(zhì)？答：未反應完全的銅，以及銅片中不與混酸反應的固體雜。3.簡述重結晶原理。是否所有的物質(zhì)都可以用重結晶方法提純?每克粗產(chǎn)品需1.2ml水重結晶的依據(jù)是什么？答：重結晶是利用固體混合物中目標組分在某種溶劑中的溶解度隨溫度變化有明顯差異，在較高溫度下溶解度大，降低溫度時溶解度小，從而能實現(xiàn)分離提純。不是，適用于重結晶法提純的物質(zhì)應具備隨溫度變化溶解度變化較大的性質(zhì)，如硝酸鉀、五水硫酸銅等，這樣提純后的產(chǎn)率較大。還有一種重結晶法是提純物質(zhì)在不同溫度下的溶解度差別不是很大時采用，可以稍多加一些水，加熱溶解，趁熱過濾后，再加熱蒸發(fā)至表面出現(xiàn)晶體（剛達到飽和），隨即冷卻結晶。對于在不同溫度下，溶解度差別不大的物質(zhì)如氯化鈉，則不能用重結晶法提純，否則提純產(chǎn)率太低。353K時：100g水中溶解五水硫酸銅83.8g，由此得出提純物硫酸銅與溶劑水之間的關系：1gCuSO45H2O需水(100g/83.8g =1.2g ) 1.2ml的比例關系。4. 蒸發(fā)濃縮溶液可以用直接加熱也可以用水浴加熱的方法，如何進行選擇？ 首先由溶劑、溶質(zhì)的性質(zhì)決定。如加熱由易燃、沸點在353K以下的有機溶劑組成的溶液時，用水浴加熱方便安全。溶質(zhì)的熱穩(wěn)定性、氧化還原穩(wěn)定性也決定了加熱的方式。如五水硫酸銅受熱時分解（熱穩(wěn)定性）CuSO45H2O = CuSO43H2O + 2H2O （375K）CuSO43H2O = CuSO4H2O + 2H2O （386K） CuSO4H2O = CuSO4 + H2O （531K） 實驗者對蒸發(fā)速度的要求是其次的考慮，當希望溶液平穩(wěn)地蒸發(fā)，也用水浴加熱，沸騰后溶液不會濺出，當然，蒸發(fā)速度相對要慢些。七問題及分析1.1 為了產(chǎn)量多一些，多稱些銅屑；不正確，因為加入的酸是根據(jù)銅的質(zhì)量計算而來的，所以不能稱多。1.2 灼燒的目的是為了氧化銅；不正確，灼燒的目的是為了除去銅表面的油污。1.3 灼燒完就可以加硫酸、硝酸，能節(jié)省時間；不正確，因為剛灼燒完的蒸發(fā)皿很燙，馬上加酸，會使之炸裂；此外由于溫度高，反應太劇烈，反應液會從蒸發(fā)皿中溢出，而且硝酸會大量分解。2.1 為什么不用濃硫酸與銅反應制備五水硫酸銅？ 濃硫酸有氧化性，可以與銅反應 ：Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O由于濃硫酸中水很少，產(chǎn)物是白色的無水硫酸銅，而不是五水硫酸銅，無水硫酸銅與稍過量的濃硫酸形成稠狀物，而且濃硫酸具有強酸性、脫水性，無法用濾紙過濾；濃硫酸與銅的反應復雜，除上述主反應外，還有一系列副反應， 產(chǎn)生硫化亞銅、硫化氫、硫酸亞銅等 ：4Cu + SO2 = Cu2S + 2CuO Cu2S + H2SO4 = Cu2SO4 + H2S H2S + H2SO4 = SO2 + S +2H2O S + 2H2SO4 = 2H2O + SO2 Cu2SO4 + 2H2SO4 = 2CuSO4 + SO2 + 2H2O究竟哪一個副反應最可能發(fā)生，須視反應條件而定，若銅過多，硫酸量相應少些，就會有黑色的硫化亞銅生成，當溫度高時，硫化亞銅作為產(chǎn)物和硫酸銅同時存在，其反應如下： 5Cu + 4H2SO4 = Cu2S + 3CuSO4 + 4H2O (403443K)因此銅和濃硫酸的反應產(chǎn)物是與銅和濃硫酸的相對量、反應溫度有關。2.2 為什么用3molL-1的硫酸？ 反應中生成了硫酸銅，為了避免硫酸銅析出，使銅和硝酸的氧化反應繼續(xù)進行，體系要有足夠的水，可借助于溶解度計算體系中含有多少水，才足以使生成的產(chǎn)物溶解而不析出。 反應在373K的水浴上進行，由于反應中有水的蒸發(fā)；傾潷法分離時溫度還要降低，故參考353K時硫酸銅的溶解度進行計算。 溶解理論產(chǎn)量的五水硫酸銅需要水 ：7.04g(約等于7mL) 原料8mL3molL-1硫酸(1.18,25%)帶入體系的水為7.08g(約等于7.1mL) 3mL濃硝酸(1.40,68%)帶入體系的水為 ：1.34g(約等于1.3mL) 1mol銅在反應中生成2mol水，結晶時需要5mol水，故結晶過程中需要水為1.28g(約等于1.3mL)。 綜合考慮： 溶解與結晶需要水：7.04+1.28=8.32約等于8.3mL 原料所提供的水：7.08+1.34=8.42g約等于8.4mL故兩者吻合，說明在濃硝酸確定的情況下，用3molL-1的硫酸是合適的。2.3 為什么要緩慢、分批的加濃硝酸？當大量氣體放出的時候會夾帶溶液，使溶液溢出容器。充分利用硝酸，避免未反應的酸在加熱時分解。2.4第一次加完酸后，為什么要等反應平穩(wěn)后才水浴加熱、而且要在蒸發(fā)皿上蓋表面皿？如在反應激烈時水浴加熱，由于溫度提高，使反應速度提高，反應更激烈，溶液有可能溢出容器，所以要等反應平穩(wěn)后才水浴加熱。 如不蓋表面皿，則在水浴加熱反應的同時，也在蒸發(fā)濃縮溶液，體系溶劑減少，產(chǎn)物硫酸銅會析出，包在未反應的銅屑外面，使反應速度減慢，故要加蓋表面皿。請在實驗前挑選好蒸發(fā)皿和表面皿，使之很好吻合。2.5什么時候補加稀硫酸、濃硝酸？當反應平穩(wěn)，NO2紅棕色氣體比較少時，說明第一次加的酸已經(jīng)大部分反應，此時可以補加酸，根據(jù)實驗情況，一般在水浴加熱1015min后補加。3.1 如何判斷銅屑已經(jīng)近于反應完？取下表面皿，用坩堝鉗從水浴上取下蒸發(fā)皿觀看，如果溶液內(nèi)沒有銅或很少時， 反應已近于完成。3.2 為什么可用傾潷法轉(zhuǎn)移溶液，此步驟的目的是什么?是為了分離未反應的銅，由于銅的密度大，沉在容器底部，故可以用傾潷法分離。3.3 為什么要趁熱用傾潷法轉(zhuǎn)移溶液？ 溶液一旦冷卻，因硫酸銅的溶解度降低而有晶體析出，從而給分離帶來困難，所以一定要快速、趁熱轉(zhuǎn)移溶液。請預先準備好小燒杯、玻棒、坩堝鉗，用坩堝鉗從水浴上取下蒸發(fā)皿，手拿蒸發(fā)皿，用玻璃棒引流（玻璃棒放在蒸發(fā)皿出液口），先快后慢的轉(zhuǎn)移溶液到小燒杯。4.1 什么是結晶膜？ 當蒸發(fā)、濃縮溶液后，溶液達到過飽和，就會有晶體析出。由于溶劑在溶液表面蒸發(fā)快，溶液表面容易達到過飽和而析出晶體，當溶液表面被晶體鋪滿時，出現(xiàn)由晶體形成的膜，這就是晶體膜。5.1 如何判斷蒸發(fā)皿內(nèi)的溶液已經(jīng)冷卻？為什么要冷卻后才能過濾，此步驟操作的目的是什么？ 用蒸發(fā)皿的底部接觸手背，如與體溫相同，則判斷溶液已經(jīng)冷卻。 過濾的目的是使產(chǎn)品硫酸銅與可溶性雜質(zhì)硝酸銅分離，得到粗產(chǎn)品。如果溶液沒有冷卻就過濾，濾液遇到冷的濾瓶，因溫度降低，濾瓶內(nèi)析出硫酸銅晶體，使產(chǎn)品損失。6.1重結晶時，提純物與溶劑之間的量的關系如何確定？重結晶的第一步是加適量水，加熱后能使提純物全部溶解，趁熱過濾后與不溶物分開，此步關鍵是加水量。加水的量由物質(zhì)的溶解度決定，要考慮的是哪個溫度下的溶解度，由于在加熱溶解過程中會有溶劑的蒸發(fā)，趁熱過濾時溫度也將低于373K，因此選擇353K時的溶解度為依據(jù)：100g水中溶解五水硫酸銅83.8g，由此得出提純物硫酸銅與溶劑水之間的關系：1gCuSO45H2O需水1.2mL的比例關系。無機鹽重結晶時，大多以水為溶劑，提純物與溶劑之間量的關系均可根據(jù)上述思路進行考慮。6.2 說明硫酸銅重結晶中趁熱過濾的操作要領，如何達到？ 要領是快，采取的措施：預先做好吸濾的準備工作（洗凈漏斗、濾瓶，并用純水蕩洗，剪好合適大小的濾紙，用少量純水濕潤，打開真空泵，微接橡皮管，使濾紙緊貼漏斗而無縫隙）。準備工作做好后，再加熱溶解硫酸銅，一旦溶解，立即打開真空泵，接上橡皮管，快速、全部轉(zhuǎn)移溶液至漏斗中，否則會因加熱時間過長，或溶液已冷引起硫酸銅析出，過濾時提純物硫酸銅與雜質(zhì)一起留在漏斗中而損失。6.3 什么情況下趁熱過濾得到的濾液還要水浴蒸發(fā)，為什么會出現(xiàn)此情況？ 如趁熱過濾后，濾液在冷的濾瓶中無晶體析出，可以預料就是繼續(xù)冷卻，得到的晶體也很少或沒有，此時應將濾液轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿內(nèi)，水浴加熱蒸發(fā)至有少量晶體出現(xiàn)即可。原因 ：粗產(chǎn)品硫酸銅沒有抽干，即是濕的，帶了多余的溶劑水；燒杯、濾瓶中均有水，未盡量倒干，造成體系中水太多。6.4 重結晶的最高產(chǎn)率是多少，產(chǎn)率過高、過低的原因是什么？ 重結晶時加水量是以353K的溶解度計算的，假定冷卻到293K的室溫過濾，此時溶解度為32.0g/100gH2O，所以重結晶的最高產(chǎn)率為： (83.8 32.0) 83.8 100% = 61.8%產(chǎn)率過低：粗產(chǎn)品晶體未抽干；重結晶時所用燒杯、濾瓶內(nèi)有水；溶解晶體時加熱時間過長，過濾時溶液已冷，二者均引起硫酸銅析出，過濾后漏斗上有晶體而損失。產(chǎn)率過高 ,往往是在濾液中無晶體析出，在水浴上加熱時，蒸發(fā)過多的水引起的八、實驗中可能存在的問題序號問題原因解決方法1灼燒時，蒸發(fā)皿裂了，