化學(xué)實(shí)驗(yàn)資料粗硫酸銅的提純及熱重

1、深 圳 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)（1） 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：粗硫酸銅的提純及產(chǎn)品的純度檢驗(yàn)和熱重分析 學(xué)院：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 專業(yè)： 指導(dǎo)教師： 報(bào)告人： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交時(shí)間： 教務(wù)處制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)習(xí)粗硫酸銅提純的原理和方法，掌握常壓過(guò)濾、減壓過(guò)濾、蒸發(fā)濃縮結(jié)晶、重結(jié)晶等基本操作技能。（2）學(xué)習(xí)采用目視比色法檢驗(yàn)產(chǎn)品中雜質(zhì)含量（主要是鐵的含量），確定產(chǎn)品的純度等級(jí)。（3）了解熱重分析的基本原理和同步熱分析儀的使用方法，學(xué)會(huì)通過(guò)分析熱重曲線圖推斷硫酸銅晶體受熱逐步脫去結(jié)晶水的過(guò)程，并探討結(jié)晶水在晶體內(nèi)部的不同結(jié)合方式。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 粗硫酸銅

2、提純的原理粗硫酸銅晶體中的主要雜質(zhì)是Fe3+、Fe2+ 以及一些可溶性的物質(zhì)如Na+ 等。Cu2+ 與Fe3+ 的分離可以利用溶度積的差異，因?yàn)闅溲趸F的K sp= 4×10 38，而氫氧化銅的K sp= 2.2×10 20，當(dāng)c(Fe3+) 降到10 6 molL1時(shí)，pH = 3.53而此時(shí)溶液中允許存在的Cu2+ 濃度為大大超過(guò)了CuSO45H2O的溶解度，所以Cu2+ 不會(huì)沉淀。從上述計(jì)算可以粗略看出，Cu2+ 與Fe3+ 是可以利用溶度積的差異，適當(dāng)控制條件（如pH等），達(dá)到分離的目的。由Cu(OH)2與Fe(OH)2的溶度積計(jì)算，Cu2+ 與Fe2+ 似乎也可以

3、用分步沉淀法分離，但由于Cu2+ 是主體，F(xiàn)e2+ 是雜質(zhì)，這樣進(jìn)行分步沉淀會(huì)產(chǎn)生共沉淀現(xiàn)象（Cu(OH)2沉淀吸附、包裹少量Fe2+ 雜質(zhì)的現(xiàn)象），達(dá)不到分離目的。因此在本實(shí)驗(yàn)中先將Fe2+ 在酸性介質(zhì)中用H2O2氧化成Fe3+ ：2Fe2+ + H2O2 + 2H+ = 2Fe3+ + 2H2O然后采用控制pH在3.74.0沉淀Fe3+，達(dá)到Fe3+、Fe2+ 與Cu2+ 分離的目的。從氧化反應(yīng)中可見，應(yīng)用H2O2作氧化劑的優(yōu)點(diǎn)是不引入其它離子，多余的H2O2可利用熱分解去除而不影響后面分離。溶液中的可溶性雜質(zhì)可采用重結(jié)晶方法分離。根據(jù)物質(zhì)的溶解度不同，特別是CuSO45H2O晶體的溶解度

4、隨溫度的降低而顯著減少，當(dāng)熱的CuSO4飽和溶液冷卻時(shí)，CuSO45H2O先結(jié)晶析出，而少量易溶性雜質(zhì)由于尚未達(dá)到飽和，仍留在母液中，通過(guò)過(guò)濾，就能將易溶性雜質(zhì)分離。2. 目視比色法檢驗(yàn)產(chǎn)品的雜質(zhì)含量（鐵的含量）的原理目視比色法是確定雜質(zhì)含量的常用方法，在確定雜質(zhì)含量后便能定出產(chǎn)品的純度級(jí)別。將產(chǎn)品配成溶液，在比色管中加入顯色劑顯色、定容，與在同樣條件下顯色、定容的一系列不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液（標(biāo)準(zhǔn)色階）進(jìn)行顏色比較（方法是從管口垂直向下觀察），如果產(chǎn)品溶液的顏色比某一標(biāo)準(zhǔn)溶液的顏色淺，就可確定雜質(zhì)含量低于該標(biāo)準(zhǔn)溶液中的含量，即低于某一規(guī)定的限度，所以這種方法又稱為限量分析。由于本實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品溶液C

5、u2+本身有顏色，干擾Fe3+ 的比色觀察，因此在比色檢驗(yàn)前需要首先在產(chǎn)品溶液中加入過(guò)量的6moldm1氨水，使微量的Fe3+ 雜質(zhì)沉淀、過(guò)濾分離出來(lái)，沉淀用熱的2moldm1 HCl溶解后收集到比色管中，加入25% KSCN溶液顯色（生成Fe(SCN)n3n血紅色絡(luò)合物，n=16）、定容，然后與標(biāo)準(zhǔn)色階比較，從而確定產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量范圍。3. 熱重分析的原理簡(jiǎn)介熱分析技術(shù)是一類在程序溫度控制下，跟蹤物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的技術(shù)，可通過(guò)測(cè)量物質(zhì)在受熱或冷卻過(guò)程中物理性質(zhì)參數(shù)（如質(zhì)量、反應(yīng)熱、比熱、膨脹系數(shù)等）隨溫度的變化情況，研究物質(zhì)的組分、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)及其它物化性質(zhì)，評(píng)定材料的耐熱性能，探

6、索材料的熱穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系等。常用的熱分析方法有熱重分析法（TG）、差熱分析法（DTA）、差示掃描量熱法（DSC）等。熱重分析法（Thermogravimetry，簡(jiǎn)稱TG）是在程序溫度控制下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。由TG實(shí)驗(yàn)獲得的曲線，稱為熱重曲線（或TG曲線），它是以質(zhì)量為縱坐標(biāo)（由上到下質(zhì)量減少），以溫度（或時(shí)間）為橫坐標(biāo)（由左到右增加）。由TG可以派生出微商熱重法（Derivative Thermogravimetry，簡(jiǎn)稱DTG），它是TG曲線對(duì)溫度（或時(shí)間）的一階導(dǎo)數(shù)。熱重分析法突出的特點(diǎn)是定量性強(qiáng)，能準(zhǔn)確測(cè)定物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度的變化及變化速率。很多離子型的鹽類從水溶

7、液中析出時(shí)，常含有一定量的結(jié)晶水，結(jié)晶水與鹽類結(jié)合得比較牢固，但受熱到一定溫度時(shí)，可以脫去結(jié)晶水的一部分或全部。由于壓力、粒度、升溫速率不同，有時(shí)可以得到不同的脫水溫度及脫水過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)將利用同步（綜合）熱分析儀對(duì)提純實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品進(jìn)行熱重分析，同步（綜合）熱分析儀可同步提供TG、DTG、DSC的曲線圖譜，通過(guò)對(duì)這些曲線圖譜的綜合分析，推斷硫酸銅晶體受熱在不同溫度下逐步脫去結(jié)晶水的過(guò)程，并探討這些結(jié)晶水在晶體內(nèi)部的不同結(jié)合方式（例如配位鍵、氫鍵等）。三、儀器和藥品儀器：150mL燒杯1個(gè)，100mL燒杯2個(gè)，玻璃棒2根，量筒（100mL、10mL）、洗瓶、滴管、玻璃漏斗（7.5cm）、蒸發(fā)皿（25

8、0mL）、布氏漏斗（8cm）、抽濾瓶（250mL）、鐵架臺(tái)、鐵圈、石棉網(wǎng)、藥匙各1個(gè)，比色管（25mL）、帶刻度吸量管（5mL）各一支電子天平、可調(diào)電爐、循環(huán)水式真空泵、同步熱分析儀（STA 409 PC）廣范pH試紙、定性濾紙（12.5cm、7cm）藥品：2molL1 NaOH 、1molL1 H2SO4、2 molL1 HCl、6molL1 NH3H2O、3% H2O2、25% KSCN、粗硫酸銅四、實(shí)驗(yàn)步驟1粗硫酸銅的提純（1）稱量和溶解稱取粗硫酸銅10g（混入0.03g硫酸亞鐵、0.07g硫酸鐵），放入150 mL潔凈燒杯中，加入約40mL水，2mL 1molL1 H2SO4，加熱、攪

9、拌直至晶體完全溶解，停止加熱。（2）氧化和沉淀邊攪拌邊往溶液中慢慢滴加約2.5mL 3% H2O2（用量筒量取后用滴管加入)，加熱片刻（若無(wú)小氣泡產(chǎn)生，即可認(rèn)為H2O2分解完全）。減火并適當(dāng)補(bǔ)充水分，然后邊攪拌邊滴加2molL1 NaOH溶液，直至溶液的pH3.74.0（當(dāng)溶液呈現(xiàn)黃綠色渾濁后稍加靜置，再開始沾取上層清液測(cè)pH值）。再加熱片刻，讓Fe(OH)3加速凝聚，取下，靜置，待Fe(OH)3沉淀沉降。（3）常壓過(guò)濾先將上層清液沿玻璃棒倒入貼好濾紙的漏斗中過(guò)濾，下面用蒸發(fā)皿承接。待清液濾完后再逐步倒入懸濁液過(guò)濾，過(guò)濾近完時(shí)，用少量蒸餾水洗滌燒杯，洗滌液也倒入漏斗中過(guò)濾。待全部濾完后，棄去濾

10、渣。（4）蒸發(fā)濃縮和結(jié)晶將蒸發(fā)皿中的濾液用1molL1 H2SO4調(diào)至pH 12后，加熱蒸發(fā)濃縮（濃縮后期勿加熱過(guò)猛，注意減火并攪拌以免液體飛濺而損失，濃縮過(guò)程中注意用藥匙刮下邊緣上過(guò)早析出的晶體）。直至溶液表面剛出現(xiàn)薄層結(jié)晶（晶膜）時(shí)，立即停止加熱，讓其自然冷卻到室溫（勿要用水冷），慢慢地析出CuSO45H2O晶體。（5）減壓過(guò)濾待蒸發(fā)皿底部用手摸感覺(jué)不到溫?zé)釙r(shí)，將晶體與母液轉(zhuǎn)入已放好濾紙的布氏漏斗中進(jìn)行抽濾，用玻璃棒將晶體均勻地鋪滿濾紙，并輕輕地壓緊晶體，盡可能抽去晶體間夾帶的母液。停止抽濾，取出晶體，攤在濾紙上，再覆蓋一張濾紙，用手指輕輕擠壓，吸干其中的剩余母液。最后將吸干的晶體稱重。（

11、6）重結(jié)晶上述產(chǎn)品放于100mL燒杯中，按每克產(chǎn)品加3 mL蒸餾水的比例加入蒸餾水。加熱，使產(chǎn)品全部溶解。趁熱常壓過(guò)濾，用蒸發(fā)皿承接濾液。濾液冷至室溫，待其慢慢地析出CuSO45H2O晶體（若不析出晶體，可稍微小火加熱蒸發(fā)濃縮濾液，直至溶液表面剛出現(xiàn)薄層結(jié)晶（晶膜）時(shí)，立即停止加熱，讓其自然冷卻到室溫）。減壓過(guò)濾抽干，取出晶體，攤在濾紙上，用另一張濾紙輕輕擠壓吸干其中的剩余母液，稱重。2. 產(chǎn)品中雜質(zhì)含量（鐵含量）的檢驗(yàn)（目視比色法）稱取1.0g提純后的產(chǎn)品于100mL燒杯中，用10mL水溶解，加入1mL 1molL1 H2SO4、1mL 3% H2O2，加熱，使Fe2+ 完全氧化成Fe3+，

12、繼續(xù)加熱煮沸，使剩余的H2O2完全分解。取下溶液冷卻后，逐滴加入6mol L1氨水，先生成淺藍(lán)色沉淀，繼續(xù)滴入6mol L1氨水，攪拌直至淺藍(lán)色沉淀完全溶解，呈深藍(lán)色透明溶液。常壓過(guò)濾，并用6molL1 氨水洗滌沉淀和濾紙至無(wú)藍(lán)色，棄去濾液，濾紙上的沉淀用滴管滴入3mL熱的2mol L1HCl溶解，用25mL比色管承接。然后用吸量管移取2.00mL 25% KSCN溶液至比色管中，用水稀至刻度，搖勻，與標(biāo)準(zhǔn)色階比較，確定產(chǎn)品的純度等級(jí)。附：系列標(biāo)準(zhǔn)溶液（標(biāo)準(zhǔn)色階）的配制：（老師已預(yù)先配好）稱1.000g純Fe粉，用40mL 1:1 HCl溶解，溶完后，滴加10% H2O2，直至Fe2+完全氧化

13、成Fe3+，過(guò)量的H2O2加熱分解除去，冷卻后，移入1000mL 容量瓶中，以水稀至刻度，搖勻。此液為1.00mg Fe3+ /mL。移取此液5.00mL于500mL容量瓶中，加入2mL1:1 HCl，以水稀至刻度，搖勻。此液為0.010mg Fe3+ / mL。標(biāo)準(zhǔn)色階配制（要求現(xiàn)用現(xiàn)配）：移取0.010 mg Fe3+ /mL標(biāo)準(zhǔn)溶液1.00mL、3.00mL、6.00mL，分別置于三支25mL比色管（分別標(biāo)號(hào)、）中，加入3mL 2molL1 HCl，并用吸量管移取2.00mL 25% KSCN溶液至比色管中，用水稀至刻度，搖勻。附表1：標(biāo)準(zhǔn)色階中各比色管的Fe3+ 濃度比色管標(biāo)號(hào)號(hào)號(hào)號(hào)移

14、取0.010mg/mL Fe3+ 標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（mL）1.003.006.00相對(duì)應(yīng)的Fe3+ 濃度（mg/mL）0.010×(1/25)0.010×(3/25)0.010×(6/25)附表2：產(chǎn)品純度檢驗(yàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)目視比色產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量產(chǎn)品的純度等級(jí)顏色比號(hào)淺（含相同）10ppm一級(jí)顏色比號(hào)淺（含相同）30ppm二級(jí)顏色比號(hào)淺（含相同）60ppm三級(jí)顏色比號(hào)深60ppm四級(jí)3. 產(chǎn)品的熱重分析取少量提純后的產(chǎn)品，放入同步熱分析儀進(jìn)行熱重分析，升溫速率10 / min 、N2氣氛。打印或用U盤保存TG曲線圖。五、實(shí)驗(yàn)記錄和結(jié)果1. 粗硫酸銅的提純產(chǎn)品外觀（顏

15、色、狀態(tài)）：產(chǎn)量：重結(jié)晶前： 重結(jié)晶后：回收率： 重結(jié)晶前： 重結(jié)晶后：2. 產(chǎn)品的純度檢驗(yàn)產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量：經(jīng)目視比色，產(chǎn)品溶液的顏色比標(biāo)準(zhǔn)色階中標(biāo)號(hào) 淺（含相同）而標(biāo)號(hào) 相當(dāng)于鐵含量為： mg/g = ppm(ppm：百萬(wàn)分之一,即ug/g)產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量 ppm產(chǎn)品的純度等級(jí)： 3. 產(chǎn)品的熱重分析 附 熱重曲線圖：熱重曲線圖分析：1.理論上若硫酸銅晶體中5個(gè)結(jié)晶水完全失去，總失重率為多少？2.由樣品的熱重曲線圖可推斷，樣品失重分為幾個(gè)階段進(jìn)行？每段失重率是多少？總失重率是多少？與理論值相比，可推斷樣品失重是由什么原因引起的？3.每段失重對(duì)應(yīng)的溫度范圍是多少？是放熱還是吸熱過(guò)程？4.每段失重相當(dāng)于失去幾個(gè)結(jié)晶水？寫出推算過(guò)程。5.用反應(yīng)簡(jiǎn)式表示樣品的失重過(guò)程。6.（附加題）若你對(duì)硫酸銅晶體的空間結(jié)構(gòu)有了解(可在網(wǎng)上搜索查詢)，初步判斷在每段失重中所脫去的結(jié)晶水對(duì)應(yīng)的空間位置，并解釋硫酸銅晶體逐步脫去結(jié)晶水的原因。六、結(jié)果分析和問(wèn)題討論1. 在加入H2O2氧化Fe2+ 時(shí)，為什么要邊攪拌邊慢慢滴加？若Fe2+ 氧化不完全，對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？2.