實(shí)驗(yàn)二-五水硫酸銅的制備

1、實(shí)驗(yàn)二 五水硫酸銅的制備一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)由不活潑金屬與酸作用制備鹽的方法及重結(jié)晶法提純物質(zhì)。2.練習(xí)和掌握臺天平、蒸發(fā)皿、坩堝鉗、表面皿的使用。3.學(xué)會傾潷法，減壓過濾，溶解和結(jié)晶；固體的灼燒。二實(shí)驗(yàn)原理1.制備原理：Cu + 2HNO3 + H2SO4 =CuSO4 +2NO2() + 2H 2OCuSO4 +5H2O = CuSO4·5H2O銅是不活潑金屬，不能直接和稀硫酸發(fā)生反應(yīng)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(jié)合得到產(chǎn)物硫酸銅。 2.提純原理： 未反應(yīng)的銅屑（不溶性雜質(zhì)）用傾潷法除去

2、。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(jié)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

3、60; 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(xiàng)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(shí)，要先小火預(yù)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(yù)熱，2  加5.5mL3mol·L-1硫酸，2.5mL濃硝酸，反應(yīng)平穩(wěn)后水浴加熱，補(bǔ)加2.5mL3mol·

4、;L-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(lán)色。Cu + 2HNO3 + H2SO4 = CuSO4+2NO2() + 2H 2OCu2+在水溶液中呈藍(lán)色，NO2是紅棕色氣體,水浴加熱時(shí)水在大燒杯的2/3處，第一次加完酸后，要等反應(yīng)平穩(wěn)后才水浴加熱， 如在反應(yīng)激烈時(shí)水浴加熱，由于溫度提高，使反應(yīng)速度提高，反應(yīng)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?yàn)樗〖訜岱磻?yīng)的同時(shí)，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(yīng)的銅屑外面，使反應(yīng)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?yàn)橛玫氖?/p>

5、純銅片，都能被混酸溶解。 4   水浴加熱，蒸發(fā)濃縮至結(jié)晶膜出現(xiàn)；從中間成膜，濃縮溶液后，溶液達(dá)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(dá)到過飽和而析出晶體，當(dāng)溶液表面被晶體鋪滿時(shí)，出現(xiàn)由晶體形成的膜，這就是晶體膜。從中間結(jié)膜好,從邊上結(jié)膜說明邊上溫度高,容易失水變白5  冷卻、過濾；得到藍(lán)色晶體CuSO4 +5 H2O = CuSO4·5H2O （藍(lán)色晶體） 從濾瓶中倒出液體時(shí)要快，所以事先準(zhǔn)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(lán)色Cu2+在水溶液中呈藍(lán)色

6、 7  濾液冷卻 、過濾；得到純凈的五水硫酸銅晶體逐漸長出藍(lán)色晶體，先是棒狀，再長大呈棱形。CuSO4 +5H2O = CuSO4·5H2O（藍(lán)色晶體）  五實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析結(jié)果：1.上述得到的粗產(chǎn)品的重量為：5.30g2.重結(jié)晶后得到的產(chǎn)品重量為：2.39 g分析：1.     Cu    CuSO4    CuSO4·5H2O(s)          &#

7、160;  64        160        250             1.5g      3.75g      5.86g產(chǎn)率 = 5.30g/5.86g×100% = 90.4%2.理論重結(jié)晶率為：(8

8、3. 8g-27.5g)/83.8*100%=67.2%實(shí)際重結(jié)晶率為：2.39 / 5.30 * 100% = 45.1%(在283K與353k時(shí)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(shí)銅的價(jià)態(tài)升高了，因此各種制備方法的共同點(diǎn)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(diǎn)，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(guān)鍵也是找氧化劑，只是酸根不同而已。可先將銅通風(fēng)加熱,制取氧化銅,再將氧化銅與稀硫酸反應(yīng)制備硫酸銅2Cu+O2=2CuO(加熱)CuO+H2SO4=C

9、uSO4+H2O 2.計(jì)算1.5g銅完全反應(yīng)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)÷(3×1000mol/mL) = 7.8mL反應(yīng)中生成了硫酸銅，為了避免硫酸銅析出而包裹銅阻止反應(yīng)的進(jìn)行，為使銅和硝酸的氧化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，體系要有足夠的水，通過溶解度的計(jì)算可知在濃硝酸確定的情況下，用3mol·L-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

10、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(yīng)的酸在加熱時(shí)分解。反應(yīng)時(shí)，硝酸加多了，會導(dǎo)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(yīng)完全的銅，以及銅片中不與混酸反應(yīng)的固體雜。3.簡述重結(jié)晶原理。是否所有的物質(zhì)都可以用重結(jié)晶方法提純?每克粗產(chǎn)品需1.2ml水重結(jié)晶的依據(jù)是什么？答：重結(jié)晶是利用固體混合物中目標(biāo)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(shí)溶解度小，從而能實(shí)現(xiàn)分離提純。不是，適用于重結(jié)晶法提純的物質(zhì)應(yīng)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

11、等，這樣提純后的產(chǎn)率較大。還有一種重結(jié)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(shí)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(dá)到飽和），隨即冷卻結(jié)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(jié)晶法提純，否則提純產(chǎn)率太低。353K時(shí)：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(guān)系：1gCuSO4·5H2O需水(100g/83.8g =1.2g ) 1.2ml的比例關(guān)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(jìn)行選擇？  

12、60; 首先由溶劑、溶質(zhì)的性質(zhì)決定。如加熱由易燃、沸點(diǎn)在353K以下的有機(jī)溶劑組成的溶液時(shí)，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(shí)分解（熱穩(wěn)定性）CuSO4·5H2O = CuSO4·3H2O + 2H2O （375K）CuSO4·3H2O = CuSO4·H2O + 2H2O （386K）       CuSO4·H2O = CuSO4 + H2O （531K）     實(shí)驗(yàn)者對蒸發(fā)速度的要求是

13、其次的考慮，當(dāng)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(dāng)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?yàn)榧尤氲乃崾歉鶕?jù)銅的質(zhì)量計(jì)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(shí)間；不正確，因?yàn)閯傋茻甑恼舭l(fā)皿很燙，馬上加酸，會使之炸裂；此外由于溫度高，反應(yīng)太劇烈，反應(yīng)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(yīng)制備五水硫酸銅？  濃硫酸有氧化性，可以與銅反應(yīng) ：Cu +

14、 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(qiáng)酸性、脫水性，無法用濾紙過濾；濃硫酸與銅的反應(yīng)復(fù)雜，除上述主反應(yīng)外，還有一系列副反應(yīng)， 產(chǎn)生硫化亞銅、硫化氫、硫酸亞銅等 ：4Cu + SO2 = Cu2S + 2CuO              Cu2S + H2SO4 = Cu2SO4 + H2S    

15、;          H2S + H2SO4 = SO2 + S +2H2O               S + 2H2SO4 = 2H2O + SO2              Cu2SO4 + 2H2SO4 = 2CuSO4 + SO2

16、 + 2H2O究竟哪一個副反應(yīng)最可能發(fā)生，須視反應(yīng)條件而定，若銅過多，硫酸量相應(yīng)少些，就會有黑色的硫化亞銅生成，當(dāng)溫度高時(shí)，硫化亞銅作為產(chǎn)物和硫酸銅同時(shí)存在，其反應(yīng)如下：              5Cu + 4H2SO4 = Cu2S + 3CuSO4 + 4H2O (403443K)因此銅和濃硫酸的反應(yīng)產(chǎn)物是與銅和濃硫酸的相對量、反應(yīng)溫度有關(guān)。2.2  為什么用3mol·L-1的硫酸？   反應(yīng)中生成了硫酸銅，為了避免硫酸

17、銅析出，使銅和硝酸的氧化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，體系要有足夠的水，可借助于溶解度計(jì)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(yīng)在373K的水浴上進(jìn)行，由于反應(yīng)中有水的蒸發(fā)；傾潷法分離時(shí)溫度還要降低，故參考353K時(shí)硫酸銅的溶解度進(jìn)行計(jì)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8mL3mol·L-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

18、為 ：1.34g(約等于1.3mL)    1mol銅在反應(yīng)中生成2mol水，結(jié)晶時(shí)需要5mol水，故結(jié)晶過程中需要水為1.28g(約等于1.3mL)。    綜合考慮：     溶解與結(jié)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3mol·L-1的硫酸是合適的。2.3 為什么要緩慢、分批的加濃硝酸？當(dāng)大量氣體放出的時(shí)候會夾帶溶液，使溶液

19、溢出容器。充分利用硝酸，避免未反應(yīng)的酸在加熱時(shí)分解。2.4第一次加完酸后，為什么要等反應(yīng)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(yīng)激烈時(shí)水浴加熱，由于溫度提高，使反應(yīng)速度提高，反應(yīng)更激烈，溶液有可能溢出容器，所以要等反應(yīng)平穩(wěn)后才水浴加熱。   如不蓋表面皿，則在水浴加熱反應(yīng)的同時(shí)，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(yīng)的銅屑外面，使反應(yīng)速度減慢，故要加蓋表面皿。請?jiān)趯?shí)驗(yàn)前挑選好蒸發(fā)皿和表面皿，使之很好吻合。2.5什么時(shí)候補(bǔ)加稀硫酸、濃硝酸？ 當(dāng)反應(yīng)平穩(wěn)，NO2紅棕色氣體比較少時(shí)，說明第一次加的酸已經(jīng)大部分反應(yīng)，此時(shí)可以補(bǔ)加酸，根據(jù)實(shí)

20、驗(yàn)情況，一般在水浴加熱1015min后補(bǔ)加。3.1 如何判斷銅屑已經(jīng)近于反應(yīng)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(shí)， 反應(yīng)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(yīng)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(yù)先準(zhǔn)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

21、慢的轉(zhuǎn)移溶液到小燒杯。4.1 什么是結(jié)晶膜？    當(dāng)蒸發(fā)、濃縮溶液后，溶液達(dá)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(dá)到過飽和而析出晶體，當(dāng)溶液表面被晶體鋪滿時(shí)，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，

22、濾瓶內(nèi)析出硫酸銅晶體，使產(chǎn)品損失。6.1重結(jié)晶時(shí)，提純物與溶劑之間的量的關(guān)系如何確定？     重結(jié)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(guān)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(shí)溫度也將低于373K，因此選擇353K時(shí)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(guān)系：1gCuSO4·5H2O需水1.2mL的比例關(guān)系。    無機(jī)鹽重結(jié)晶時(shí)

23、，大多以水為溶劑，提純物與溶劑之間量的關(guān)系均可根據(jù)上述思路進(jìn)行考慮。6.2   說明硫酸銅重結(jié)晶中趁熱過濾的操作要領(lǐng)，如何達(dá)到？   要領(lǐng)是快，采取的措施：預(yù)先做好吸濾的準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)間過長，或溶液已冷引起硫酸銅析出，過濾時(shí)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

24、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(yù)料就是繼續(xù)冷卻，得到的晶體也很少或沒有，此時(shí)應(yīng)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(jié)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(jié)晶時(shí)加水量是以353K的溶解度計(jì)算的，假定冷卻到293K的室溫過濾，此時(shí)溶解度為32.0g/100gH2O，所以重結(jié)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(jié)晶時(shí)所用燒杯、