不同沉淀劑配制銅氨溶液的研究

不同沉淀劑配制銅氨溶液的研究

1氫氧化銅溶液的配制在高中化學(xué)教材中，有這樣一種明顯的實(shí)驗(yàn)：在稱量杯中加入5%硫酸銅溶液，然后加入10%氫氧化鈉溶液，沉淀完全。記錄靜態(tài)片劑后，立即去除頂部的澄清液。用濃氨水溶解得到的氫氧化銅沉淀,以獲得較高濃度的銅氨溶液。許多教師反映按照上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)配制銅氨溶液,加入脫脂棉花后不斷攪拌,長(zhǎng)時(shí)間浸泡,甚至采用熱水浴或曬太陽(yáng)等方法,均很難觀察到棉花的溶解。對(duì)此,查閱相關(guān)資料,進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)探究,以便我們大家對(duì)配制銅氨溶液和影響其溶解性能的相關(guān)問(wèn)題,形成正確的理解和認(rèn)識(shí)。2低濃鹽水沉淀法配制銅氨溶液通常有2種方法,一是將硫酸銅溶液用氫氧化鈉溶液沉淀完全后,再加入濃氨水至沉淀消失;二是向硫酸銅溶液中直接加入濃氨水至沉淀溶解。對(duì)其中涉及的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分別作如下說(shuō)明:(1)在硫酸銅溶液中滴加氫氧化鈉溶液,首先出現(xiàn)淺綠色沉淀,但隨著氫氧化鈉溶液質(zhì)量的增加,沉淀變?yōu)闇\藍(lán)色。其過(guò)程涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式為:在硫酸銅溶液中滴加少量氫氧化鈉溶液時(shí),生成堿式鹽Cu2(OH)2SO4、Cu4(OH)6SO4不溶物,當(dāng)氫氧化鈉的用量增多時(shí),則以不溶物Cu(OH)2為主。因此,向硫酸銅溶液中滴加氫氧化鈉溶液至沉淀完全,得到Cu(OH)2和Cu2(OH)2SO4混合物;再往沉淀中滴加濃氨水,得到絳藍(lán)色銅氨溶液。上述變化的化學(xué)反應(yīng)方程式為:(2)在硫酸銅溶液中滴加濃氨水生成綠色粉狀沉淀[Cu2(OH)2SO4、Cu4(OH)6SO4],再繼續(xù)滴加濃氨水至沉淀溶解為絳藍(lán)色溶液。其過(guò)程可用下列化學(xué)反應(yīng)方程式表示:顯然,采用不同沉淀劑都可制得銅氨溶液,但其中包含的組分存在一定的差異。3銅氨溶液溶解實(shí)驗(yàn)按照教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)配制銅氨溶液,為什么很難觀察到棉花的溶解呢?這暗示著包括銅氨溶液濃度在內(nèi)的一些未知因素、操作方法,決定了銅氨溶液的溶解性能。為此,進(jìn)行以下探究實(shí)驗(yàn)。為了方便實(shí)驗(yàn)操作,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用酸、堿式滴定管量取液體、電子秤稱量棉花(只保留1位小數(shù));以將棉花放入溶液中攪拌1min,觀察不到固體棉花,記為“全溶”;反之,則記為“不溶”。3.1u3000關(guān)于棉[實(shí)驗(yàn)1]銅氨溶液的配制方法:在硫酸銅溶液中滴加氫氧化鈉溶液至淺藍(lán)色沉淀完全,離心分離,用水洗滌沉淀3次后,再滴加濃氨水(其溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%)至沉淀溶解為絳藍(lán)色溶液。分別進(jìn)行3次銅氨溶液溶解棉花的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表1。[實(shí)驗(yàn)2]改用10%硫酸銅溶液,其他試劑和操作方法同上。分別進(jìn)行3次溶解棉花的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表2。[實(shí)驗(yàn)3]銅氨溶液的配制方法:在硫酸銅溶液中滴加氫氧化鈉溶液至淺藍(lán)色沉淀完全,不進(jìn)行離心分離,直接在混合物中滴加濃氨水至沉淀溶解為絳藍(lán)色溶液。分別進(jìn)行3次溶解棉花的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表3。選用較高濃度硫酸銅溶液配制銅氨溶液,能夠改善其溶解性能;采用氫氧化鈉為沉淀劑配制銅氨溶液,其溶解性能與實(shí)驗(yàn)操作方式(離心分離、洗滌)無(wú)關(guān)。[實(shí)驗(yàn)4]銅氨溶液的配制方法:在硫酸銅溶液中滴加濃氨水至綠色粉狀沉淀完全,再繼續(xù)滴加濃氨水至沉淀溶解為絳藍(lán)色溶液。分別進(jìn)行3次溶解棉花的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表4。3.2在溶解纖維素的溶劑中溶解[實(shí)驗(yàn)5]銅氨溶液的配制方法:在硫酸銅溶液中滴加濃氨水至綠色粉狀沉淀完全,離心分離后,棄去上層清液,再滴加濃氨水至沉淀溶解為絳藍(lán)色溶液。分別進(jìn)行3次溶解棉花的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表5。在溶解纖維素的溶液中,又復(fù)析出纖維。從外觀上觀察,析出的纖維較溶解前變短。[實(shí)驗(yàn)6]銅氨溶液的配制方法:在硫酸銅溶液中滴加濃氨水至綠色粉狀沉淀完全,離心分離后,用水洗滌沉淀3次,再滴加濃氨水至沉淀溶解為絳藍(lán)色溶液。分別進(jìn)行3次溶解棉花的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表6?，F(xiàn)象同上,在溶解纖維素的溶液中,又復(fù)析出纖維。比較各實(shí)驗(yàn)中濃氨水的用量,說(shuō)明銨根離子對(duì)難溶物(氫氧化銅、堿式硫酸銅)的溶解起促進(jìn)作用(其反應(yīng)原理可參閱嚴(yán)宣申的論述);采用濃氨水為沉淀劑配制銅氨溶液,其溶解性能與實(shí)驗(yàn)操作方式(離心分離、洗滌)有關(guān)。4堿液中堿液的沉淀采用不同或相同沉淀劑配制銅氨溶液,為什么其溶解性能不盡相同呢?離心分離、沉淀洗滌等實(shí)驗(yàn)操作的真正用意又是什么呢?猜測(cè),除了銅氨溶液的濃度以外,不同銅氨溶液中差異性的組分(OH-、NH+4)影響其溶解性能。為此,設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。[實(shí)驗(yàn)7]銅氨溶液的配制方法:在硫酸銅溶液中加入濃氨水得到絳藍(lán)色銅氨溶液。將此溶液平均分為3份,分別加入氫氧化鈉固體后進(jìn)行溶解棉花的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表7。氫氧化鈉固體易吸潮,用量較少時(shí)較難精準(zhǔn)稱量,按每片(粒)0.05g計(jì)算,可直接取用。參照實(shí)驗(yàn)4的氨水用量,將它擴(kuò)大10倍并不能改善銅氨溶液的溶解性能。氫氧化鈉對(duì)銅氨溶液的溶解性能起促進(jìn)提高作用,這是因?yàn)閴A液能削弱纖維素高分子間相互作用,起著良好的潤(rùn)脹作用。[實(shí)驗(yàn)8]在硫酸銅溶液中滴加氫氧化鈉溶液至淺藍(lán)色沉淀完全,離心分離后,用水洗滌沉淀3次,再滴加濃氨水至沉淀溶解為絳藍(lán)色溶液。將此溶液平均分為2份,其中1份加入棉花,另1份先加入飽和碳酸氫銨溶液再放入棉花,分別進(jìn)行2次溶解實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表8。[實(shí)驗(yàn)9]在硫酸銅溶液中滴加濃氨水至綠色粉狀沉淀完全,離心分離后,用水洗滌沉淀3次,再滴加濃氨水至沉淀溶解為絳藍(lán)色溶液。將此溶液平均分為2份,其中1份放入棉花,另1份先加入飽和碳酸氫銨溶液再放入棉花,分別進(jìn)行2次溶解實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象見(jiàn)表9。結(jié)果表明,銨根離子對(duì)銅氨溶液的溶解性能起負(fù)面影響作用。至此,能不能認(rèn)為實(shí)驗(yàn)5、6中的離心分離、洗滌沉淀(大幅度減少銨根離子)就是在消除它的負(fù)面影響?事情可能并非這么簡(jiǎn)單,理由如下:(1)分析化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,不難發(fā)現(xiàn),雖以氨水為沉淀劑時(shí)有NH+4出現(xiàn),但隨后生成的OH-會(huì)將它轉(zhuǎn)變?yōu)榘?銅氨溶液中并沒(méi)有顯著的NH+4存在;也就是說(shuō)即使不進(jìn)行離心分離、洗滌,其化學(xué)反應(yīng)自身的機(jī)理能將NH+4的量降到微乎其微。(2)離心分離、洗滌沉淀降低NH+4是表象,其真正的作用體現(xiàn)在使后續(xù)生成的OH-主要用于維持溶液的堿性,而非與NH+4的反應(yīng)。目前,纖維素在銅氨溶液中的溶解機(jī)理尚無(wú)定論,較有說(shuō)服力的是赫斯-梅斯默(Hess-Messmer)假說(shuō)和里夫斯(Reeves)假說(shuō)。赫斯-梅斯默假說(shuō):里夫斯假說(shuō):以上2種機(jī)理均能對(duì)銨根離子的影響作出合理的解釋,也驗(yàn)證了我們的推論。5堿土金屬對(duì)棉堿萃取過(guò)程的影響(1)在銅氨溶液溶解棉花的過(guò)程中,溶液濃度、堿性度和銨根離子,均對(duì)其溶解性能造成影響。銨根離子在配制銅氨溶液的過(guò)程中起促進(jìn)作用,而在銅氨溶液溶解棉花的過(guò)程中起阻礙作用。(2)以氨水為沉淀劑時(shí),采用離心分離、洗滌沉淀的物理方法與加入氫氧化鈉的化學(xué)方法,以維持或提高銅氨溶液的堿性度,可改善其溶解性能