宋鑫明+劉丹霞+鄭彩娟+吳祿勇+付艷輝+李小寶

摘要：概述了CuSO4·5H2O制備的幾種不同方法。對教材中CuSO4·5H2O制備中存在的問題進(jìn)行了分析，并對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)以過氧化氫、硫酸、銅粉為原料，改用95%乙醇洗滌硫酸銅晶體。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)操作簡單，產(chǎn)品產(chǎn)率達(dá)95%以上，且反應(yīng)過程無NO2等有毒氣體釋放，顯著提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：CuSO4·5H2O；水合硫酸銅制備；銅粉；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1005–6629（2015）6–0068–02 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

硫酸銅晶體（俗稱膽礬、藍(lán)礬或銅礬）是制備其他銅類化合物的重要前驅(qū)體，也是一種常用的化工原料和化工產(chǎn)品，具有廣泛的用途，它常用于電解精煉、電鍍、電池、顏料、農(nóng)藥、紡織工業(yè)及有色金屬選礦工業(yè)[1，2]。在大學(xué)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，五水硫酸銅晶體（CuSO4·5H2O）的制備是一個(gè)典型的綜合型制備實(shí)驗(yàn)，是無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要內(nèi)容之一[3]。也是中學(xué)人教版《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》教材[4]中的一個(gè)制備實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生練習(xí)并掌握加熱、減壓過濾、蒸發(fā)濃縮和重結(jié)晶等基本操作。

目前常用的五水硫酸銅晶體制備的方法主要有濃硝酸氧化法、催化劑氧化溶解法和空氣氧化法3種[5]。濃硝酸氧化法將濃硝酸分次加入到銅與稀硫酸的混合物中，此方法在制備過程中會產(chǎn)生大量有毒有害的氣體NO2，且排放的NO2與空氣中的水結(jié)合后生成硝酸，腐蝕實(shí)驗(yàn)室設(shè)施，嚴(yán)重污染環(huán)境，并危害實(shí)驗(yàn)室人員的身體健康。催化劑氧化溶解法常用鐵離子和鹽酸作為催化劑，容易形成鐵銅硫酸鹽混晶等問題，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。空氣氧化法制備是利用廢銅粉灼燒氧化制備CuSO4·5H2O，這種實(shí)驗(yàn)方法無三廢排放，避免了生產(chǎn)過程中有毒有害氣體的產(chǎn)生，但是經(jīng)常有不少學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗，出現(xiàn)產(chǎn)物結(jié)晶差、產(chǎn)率低等現(xiàn)象。

現(xiàn)行人教版化學(xué)選修六《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》[6]中采用空氣氧化法先將銅粉灼燒氧化成氧化銅，然后將其溶解于硫酸中，得到的粗品再用H2O2洗滌，該方法無三廢排放，操作簡單，但是成功率偏低，耗時(shí)長。大學(xué)無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[7]中采用濃硝酸氧化法用硝酸和硫酸溶解銅，該方法反應(yīng)完全，操作簡單，但是會產(chǎn)生大量有毒有害的氣體NO2，腐蝕實(shí)驗(yàn)設(shè)備，嚴(yán)重污染環(huán)境。本文改用H2O2配合H2SO4來制備CuSO4的方法較為理想，其反應(yīng)式為：

Cu+H2O2+H2SO4=CuSO4+2H2O；

CuSO4+5H2O=CuSO4·5H2O

該反應(yīng)速度快，在15分鐘內(nèi)即可完成，整個(gè)實(shí)驗(yàn)全程大約一個(gè)小時(shí)，并且該方法具有不產(chǎn)生NO2毒氣、操作簡單、產(chǎn)率高等特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

試劑：銅粉（2.0克）、3MH2SO4、30% H2O2、95%乙醇

儀器：蒸發(fā)皿、鐵架臺、鐵環(huán)、鐵夾、酒精燈、玻璃棒、濾紙、普通漏斗、布氏漏斗、100mL燒杯1個(gè)、擋風(fēng)板、量筒（25mL）、臺秤、抽濾泵

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

在臺秤上稱取銅粉2.0克，往蒸發(fā)皿中加入3M的硫酸20mL，再量取10mL 30% H2O2（注意勿接觸皮膚，有腐蝕性），用滴管逐滴加入到蒸發(fā)皿中，邊加邊攪拌，直到銅粉完全溶解為止。常壓過濾后，取濾液進(jìn)行濃縮操作。將上述濾液轉(zhuǎn)入到蒸發(fā)皿中，直接用酒精燈加熱濃縮，當(dāng)觀察有晶體開始析出時(shí)停止加熱。冷卻結(jié)出晶體。達(dá)到室溫時(shí)，加入5mL 95%乙醇，使硫酸銅的溶解度進(jìn)一步降低。將晶體移入洗滌干凈的布氏漏斗中，抽濾，將晶體進(jìn)一步分離。并用少量95%乙醇洗滌。稱量，計(jì)算產(chǎn)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 濃硫酸用量的影響

由于銅粉的純度不能保證百分百純，所得CuSO4溶液中常含有部分Fe2+、Fe3+及Pb2+等。Pb2+可以通過與反應(yīng)中剩余的H2SO4反應(yīng)生成硫酸鉛沉淀除去。Fe2+離子則需用氧化劑（30% H2O2）氧化為Fe3+離子，通過控制pH，使Fe3+離子充分水解為Fe（OH）3沉淀濾去，因此，調(diào)節(jié)溶液的pH對于CuSO4·5H2O晶體的純度非常關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)pH<4時(shí)，F(xiàn)e3+水解不完全，無法完全去除，而且得到的CuSO4·5H2O晶體疏松，且顏色較淺；而當(dāng)pH>5時(shí)，得到的CuSO4·5H2O晶體產(chǎn)率低，完全脫水后顏色為藍(lán)綠色，我們推斷這是由于Fe3+水解生成沉淀的同時(shí)，Cu2+水解生成了堿式碳酸銅。所以為了抑制Cu2+水解并制得高純度的水合硫酸銅晶體，我們用稀硫酸調(diào)節(jié)溶液的pH為4.5。

2.2 溫度的影響

往盛有銅屑的燒杯中加入10mL 1：3的H2SO4，緩慢滴加30% H2O2，反應(yīng)溫度最好用水浴使溫度恒定保持在40℃。由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。溫度過高H2O2劇烈分解，會使溶液溢出燒杯，溫度過低則反應(yīng)速度緩慢。因此，反應(yīng)過程中溫度過高時(shí)要用冷水冷卻，待銅屑反應(yīng)完全后，再加熱煮沸2min。

2.3 洗滌溶劑的影響

用純水作洗滌溶劑，洗滌2次，由于五水硫酸銅溶解于水，故濾液里面會有五水硫酸銅損失，產(chǎn)率都在80%以下。而我們采用95%乙醇作洗滌溶劑，同樣洗滌2次，因五水硫酸銅在95%乙醇中溶解度大大降低，所以產(chǎn)率都在95%以上（結(jié)果見表1）。說明95%乙醇大大降低了五水硫酸銅在水中的損失，提高了產(chǎn)率。

3 結(jié)論

用30% H2O2作氧化劑，用銅粉與硫酸反應(yīng)來制備五水硫酸銅，30% H2O2采用慢慢逐滴滴加的方式，反應(yīng)用水浴控制溫度為40度左右。硫酸用量控制在比銅粉物質(zhì)的量稍過量，以保證溶液pH=4.5左右，并可以除去硫酸鉛等雜質(zhì)。洗滌溶劑用95%乙醇。產(chǎn)率達(dá)到95%以上。

通過對五水硫酸銅制備方法的改進(jìn)，針對性地解決了該制備實(shí)驗(yàn)中的環(huán)境污染、產(chǎn)品純度和產(chǎn)率低等問題。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)不僅可以在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，而且不產(chǎn)生任何有害氣體，大大優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境，提高了五水硫酸銅的純度和產(chǎn)率，顯著提升了該實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] M.E.波任著.無機(jī)鹽工藝學(xué)（上冊）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1980：399.

[2]肖遠(yuǎn)泉.飼料級五水硫酸銅的生產(chǎn)[J].無機(jī)鹽工業(yè)，1994，（2）：25.

[3][7]徐家寧，門瑞芝，張寒琦.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)——無機(jī)化學(xué)和化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2013：67.

[4][6]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·實(shí)驗(yàn)化學(xué)[M].北京：人民教育出版社，2007：29.

[5]吳萍，陳維，唐亞文.五水硫酸銅晶體制備實(shí)驗(yàn)優(yōu)化條件的探究[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2013，29（5）：51～52.