硫酸銅晶體制備實驗的綠色化改進

1、硫酸銅晶體制備實驗的綠色化改進*何麗君*霍彩霞許世紅李生英何靜嫻(蘭州城市學院化學與環(huán)境科學學院甘肅蘭州730070摘要對以銅粉為原料、硝酸為氧化劑的硫酸銅晶體制備實驗進行了綠色化改進。結(jié)果發(fā)現(xiàn),銅粉的研磨及灼燒時間、介質(zhì)的酸度及氧化劑對產(chǎn)品質(zhì)量都有影響。當銅粉的研磨時間為20m i n、灼燒時間35m i n及用3m o l/L的H2S O4作為介質(zhì)、H2O2作為氧化劑時,產(chǎn)率可達67.92%,產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率比傳統(tǒng)的制備方法有明顯提高,符合綠色化實驗的要求。關(guān)鍵詞硫酸銅晶體制備綠色化學研磨灼燒雙氧水D O I:10.13884/j.1003-3807h x j y.2015070062硫酸

2、銅晶體的制備實驗是無機物制備實驗中一個很重要的實驗1-2。該實驗體現(xiàn)了氧化還原反應和酸堿中和反應在無機化合物制備中的應用,且涉及稱量、溶液配制、減壓過濾、濃縮結(jié)晶、固液分離等多種基本操作方法,是一個培養(yǎng)學生動手能力、觀察能力、分析問題和解決問題能力的實驗項目。目前實驗室制備硫酸銅晶體基本都是采用以銅粉為原料,硝酸為氧化劑3-5,這種制備方法存在以下問題:(1反應中有大量N O2氣體放出,而N O2是一種有刺激性且有毒性的氣體,嚴重影響師生的身心健康。(2N O2與空氣中的水蒸氣結(jié)合生成硝酸,會腐蝕實驗室的設(shè)備。(3在實驗中加入硝酸氧化劑,可以提高原料利用率,但產(chǎn)品中有C u(N O32,使制得

3、的C u S O4不純。針對以上問題,本文從原料處理、介質(zhì)酸度及氧化劑種類等多方面進行探討研究,發(fā)現(xiàn)當對原料銅粉進行研磨,且灼燒充分,加入H2O2氧化劑,同時調(diào)節(jié)合適的酸度,產(chǎn)物產(chǎn)率可達68%左右,產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率比傳統(tǒng)制備方法有明顯提高。這種改進使硫酸銅晶體制備實驗成為一種既能充分利用原料,提高產(chǎn)率和純度,又能減少環(huán)境污染的對環(huán)境友好的綠色實驗。1實驗部分1.1實驗原理以銅粉為原料,先進行灼燒,使銅粉一部分轉(zhuǎn)化為氧化銅,氧化銅可以和硫酸直接反應得到硫酸銅目標產(chǎn)物,沒轉(zhuǎn)變成氧化銅的銅粉,在氧化劑存在的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)镃 u2+,再與S O2-4結(jié)合生成硫酸銅。1.2儀器與藥品儀器:M i c r

4、o-p l u s激光衍射粒度分析儀(英國馬爾文公司、B S A124S電子分析天平(賽多利斯科學儀器有限公司、研缽、蒸發(fā)皿、燒杯、量筒、玻璃棒、酒精燈、漏斗、布氏漏斗、抽濾裝置、表面皿、鐵架臺、石棉網(wǎng)、鑷子、藥匙。藥品:銅粉(上海中秦化學試劑有限公司、濃硝酸(天津市化學試劑五廠、濃硫酸(白銀化學試劑廠、30%H2O2(天津市凱通化學試劑有限公司、無水乙醇(天津市富宇精細化工有限公司,以上試劑均為分析純,實驗用水為蒸餾水。1.3實驗方法稱取一定量研磨后的銅粉,放入蒸發(fā)皿中,強烈灼燒至黑色,讓其自然冷卻。在灼燒過的銅粉中,加入一定量一定濃度的H2S O4,再加入一定量氧化劑,待反應緩和后蓋上表面

5、皿,水浴加熱,在加熱過程中補充一定量的H2S O4,待銅粉近于全部溶解后,趁熱用傾析法將溶液轉(zhuǎn)至洗凈的蒸發(fā)皿中,水浴加熱,濃縮至表面出現(xiàn)晶膜,取下蒸發(fā)皿,使其自然冷卻,析出粗C u S O4·5H2O,抽濾,無水乙醇洗滌,干燥后稱量,計算產(chǎn)率。2結(jié)果與討論2.1銅粉研磨對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響用激光衍射粒度分析儀測得原料銅粉的中位徑為58.3m,在制備硫酸銅晶體之前,對原料銅粉進行研磨(研磨時間見表1,稱取研磨后的銅粉1.5g,經(jīng)過35m i n灼燒,加入5.5m L3m o l/L H2S O4制備硫酸銅晶體,結(jié)果見表1。發(fā)現(xiàn)在實驗前對原料先進行研磨,由于銅粉的中位徑數(shù)值變* * *

6、蘭州城市學院2013年本科教育教學研究項目(2013-J Y-20通信聯(lián)系人,E-m a i l:h e l i j u n00163.c o m小,顆粒變小,使產(chǎn)品的產(chǎn)率增加,但研磨時間不能太長,否則反而使產(chǎn)品產(chǎn)率降低。這是由于隨著研磨時間的增加,原料顆粒變小,這種小顆粒的銅粉在進行灼燒時容易發(fā)生團聚,影響銅粉的充分氧化而造成產(chǎn)品產(chǎn)率降低。所以實驗中對銅粉在反應前進行20m i n的研磨。表1研磨時間對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響T a b l e1E f f e c to fm i l l i n gt i m eo nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t

7、 ec r y s t a l銅粉研磨時間/m i n銅粉中位徑/m反應液顏色產(chǎn)物質(zhì)量/g剩余銅屑質(zhì)量/g產(chǎn)率/% 1033.21藍色1.610.6927.47 2029.43深藍色2.410.5141.13 2529.32深藍色2.390.5240.78 3027.30天藍色2.280.6038.90 4026.80藍色1.650.7528.162.2銅粉灼燒時間對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響稱取研磨20m i n的銅粉1.5g于蒸發(fā)皿中,進行灼燒(灼燒時間見表2,然后在銅粉中加入5.5m L3m o l/LH2S O4制備硫酸銅晶體,結(jié)果見表2。發(fā)現(xiàn)對原料銅粉進行充分的灼燒,有利于提高硫酸銅晶體的

8、產(chǎn)率,但灼燒時間達到35m i n后,產(chǎn)品產(chǎn)率不再增加,這是因為銅粉的充分灼燒,可以使其轉(zhuǎn)化為氧化銅,氧化銅可以和硫酸直接反應制備得到硫酸銅目標產(chǎn)物,灼燒產(chǎn)生的氧化銅的量越多,硫酸銅晶體的產(chǎn)率越高,但灼燒一定時間后產(chǎn)品產(chǎn)率基本不再增加,可能這是由于在空氣中的灼燒只能使銅粉的表面完全氧化,而內(nèi)部沒有反應之故。因此在實驗中選擇對銅粉進行35m i n的灼燒后再進行反應。表2灼燒時間對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響T a b l e2E f f e c to fc a l c i n a t i o nt i m eo nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t ec r

9、 y s t a l銅粉灼燒時間/m i n反應液顏色產(chǎn)物質(zhì)量/g剩余銅屑質(zhì)量/g產(chǎn)率/% 5淡綠色幾乎為零1.380 10淡藍色0.931.2715.87 20淡藍色1.591.0527.13 30藍色2.080.8535.49 35深藍色2.360.6040.27 40深藍色2.350.6240.102.3硫酸濃度對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響稱取研磨20m i n的銅粉1.5g于蒸發(fā)皿中,灼燒35m i n,然后加入5.5m L不同濃度的H2S O4溶液制備硫酸銅晶體,結(jié)果見表3。發(fā)現(xiàn)H2S O4的濃度會影響產(chǎn)品的產(chǎn)率,3m o l/LH2S O4所得到硫酸銅晶體的產(chǎn)率最高,原料的利用率最高,太

10、濃的硫酸反而不利于提高硫酸銅晶體的產(chǎn)率。這是因為隨著硫酸濃度的增加,產(chǎn)物中會出現(xiàn)別的物質(zhì),如C u S,C u2S及白色的硫酸銅產(chǎn)物6,這些物質(zhì)在前期傾析時被除去,最終降低了產(chǎn)品的產(chǎn)率。表3硫酸濃度對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響T a b l e3E f f e c to fs u l f u r i ca c i dc o n c e n t r a t i o no nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t ec r y s t a l硫酸的濃度/m o l/L反應液的顏色產(chǎn)物質(zhì)量/g剩余銅屑質(zhì)量/g產(chǎn)率/% 2藍色2.050.7434.98 3深藍色2.4

11、10.5141.13 6淡藍色0.810.8713.82 9白色0.260.954.44 18純白色0.091.221.542.4氧化劑對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響通過對上述條件的研究,發(fā)現(xiàn)原料的研磨及灼燒都可使硫酸銅晶體的產(chǎn)率增加,但由于銅粉在空氣中的氧化不是很完全,反應后仍有剩余銅粉,為使原料的利用率進一步提高,加入氧化劑。2.4.1加入濃硝酸稱取研磨20m i n的銅粉1.5g于蒸發(fā)皿中,灼燒35m i n,加入5.5m L3m o l/L的H2S O4,再加入傳統(tǒng)制備中的氧化劑濃硝酸制備硫酸銅晶體,并將得到的產(chǎn)品用無水乙醇洗滌干凈后干燥稱量,結(jié)果見表4。發(fā)現(xiàn)隨著濃硝酸體積的增加,產(chǎn)物的產(chǎn)量明

12、顯提高。為了驗證硫酸銅的純度,對所得產(chǎn)品配成溶液用氯化鋇沉淀S O2-4,通過沉淀量的多少計算產(chǎn)品的純度,結(jié)果見表5。發(fā)現(xiàn)硫酸銅的純度只有60%左右,可見加入濃硝酸可以提高產(chǎn)率,但會造成硫酸銅不純,且反應中逸出的N O2氣體會對實驗中師生的身心造成傷害,對環(huán)境造成污染。表4濃硝酸對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響T a b l e4E f f e c to fn i t r i ca c i do nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t ec r y s t a l濃硝酸體積/m L反應液顏色產(chǎn)物質(zhì)量/g剩余銅屑質(zhì)量/g產(chǎn)率/% 1藍色1.870.3831.91

13、2深藍色2.070.0035.32 3深藍色3.090.0052.73表5濃硝酸對硫酸銅純度的影響T a b l e5E f f e c to fc o n c e n t r a t e dn i t r i ca c i do nt h ep u r i t yo fc o p p e rs u l f a t e硫酸銅晶體質(zhì)量/g硝酸體積/m L沉淀質(zhì)量/g純度%0.310.158856.730.320.170060.800.330.167459.872.4.2加入過氧化氫稱取研磨20m i n的銅粉1.5g于蒸發(fā)皿中,灼燒35m i n加入5.5m L3m o l/LH2S O4,改變

14、氧化劑濃硝酸為H2O2制備硫酸銅晶體,并將得到的產(chǎn)品用無水乙醇洗滌干凈后干燥稱量,結(jié)果見表6。發(fā)現(xiàn)隨著質(zhì)量分數(shù)10%H2O2的體積增加,硫酸銅的產(chǎn)量增加,達到50%后基本不變,反應液中還有剩余銅粉,為使銅粉的利用率提高,在此體系中分別加入9、10、12、14m L3m o l/LH2S O4,結(jié)果見表7,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的利用率高達68%左右。表6H2O2的量對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響T a b l e6E f f e c to ft h ea m o u n to fH2O2o nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t ec r y s t a lH2O2體積/m

15、 L銅粉溶解情況產(chǎn)物質(zhì)量/g產(chǎn)率/% 1未完全2.7346.592基本完全2.9850.853基本完全2.9850.85表7增加硫酸的量對硫酸銅晶體產(chǎn)率的影響T a b l e7E f f e c to ft h ei n c r e a s i n ga m o u n to fs u l f u r i ca c i do nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a tc r y s t a l增加硫酸體積/m LH2O2體積/m L銅粉溶解情況產(chǎn)物質(zhì)量/g產(chǎn)率/% 93未完全2.9850.85103未完全3.0552.05123少量剩余3.6562.28

16、143完全溶解3.9867.92這是因為過氧化氫在酸性條件下具有較強的氧化性7,且其還原產(chǎn)物是水,不會給體系引入雜質(zhì),加入過氧化氫的同時,再進一步提高酸度,可有效提高過氧化氫的氧化性,促使銅粉轉(zhuǎn)變?yōu)镃 u2+,在硫酸介質(zhì)中可充分轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙~,提高原料的利用率和產(chǎn)品的產(chǎn)率,其反應過程如下8:C u+H2O2+H2S O4=C u S O4+2H2O以上實驗均在室溫條件下完成,實驗發(fā)現(xiàn)溫度對產(chǎn)品產(chǎn)率的影響不大,因此在硫酸銅晶體的制備實驗中可以不考慮溫度的影響。3結(jié)論通過對傳統(tǒng)硫酸銅晶體制備實驗的改進,發(fā)現(xiàn)原料銅粉的研磨和灼燒、介質(zhì)的酸度和氧化劑的選擇對硫酸銅晶體的產(chǎn)品質(zhì)量有一定的影響。當對銅粉研磨

17、20m i n、灼燒35m i n,再以3m o l/LH2S O4作為介質(zhì)、H2O2作為氧化劑制備硫酸銅晶體,產(chǎn)率可達67.92%,比硫酸-硝酸氧化法制備的產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率有明顯提高。這種改進的方法從根本上改變了硫酸-硝酸氧化法制備硫酸銅晶體實驗的弊端,且原料清潔、操作簡單,對環(huán)境基本不存在污染,原料利用率高,符合現(xiàn)代綠色化學理念。參考文獻1崔愛莉.基礎(chǔ)無機化學實驗.北京:高等教育出版社,2007:67-692古鳳才,肖衍繁,張明杰,等.基礎(chǔ)化學實驗教程.2版.北京:科學出版社,2005:228-2293方賓,王倫.化學實驗(上冊.北京:高等教育出版社,2003:112-1144尹立輝,石軍

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19、o n gL IS h e n g-Y i n gH EJ i n g-X i a n(C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e,L a n z h o uC i t yU n i v e r s i t y,L a n z h o u730070,C h i n aA b s t r a c tT h i sp a p e rs t u d i e dt h eg r e e ni m p r o v e m e n to fp r e p a r a t i o no fc o

20、p p e rs u l f a t ec r y s t a l w i t hc o p p e ra sr a wm a t e r i a l,n i t r i ca c i da st h eo x i d a n t.T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o d u c tq u a l-i t yw a sa f f e c t e db yt h eg r i n d i n ga n dc a l c i n a t i o nt i m eo fc o p p e rp o w d e r,s u l f u r i ca c i dc