实验二五水硫酸铜的制备

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1、实验二五水硫酸铜的制备一实验目的1. 学习由不活泼金属与酸作用制备盐的方法及重结晶法提纯物质。2. 练习和掌握台天平、蒸发皿、坩埚钳、表面皿的使用。3. 学会倾滗法，减压过滤，溶解和结晶；固体的灼烧。二实验原理1. 制备原理： Cu + 2HNO3 + H2SO4 =CuSO4 +2NO2() + 2H 2OCuSO4 +5H2O = CuSO45H2O 铜是不活泼金属， 不能直接和稀硫酸发生反应制备硫酸铜，必须加入氧化剂。 在 浓硝酸和稀硫酸的混合液中，浓硝酸将铜氧化成Cu2+，Cu2+与 SO 42-结合得到产物硫酸铜。2. 提纯原理：未反应的铜屑 （不溶性杂质） 用倾滗法除去。 利用硝酸

2、铜的溶解度在273K373K 范围内均大于硫酸铜溶解度的性质，溶液经蒸发浓缩后析出硫酸铜， 经过滤与可 溶性杂质硝酸铜分离，得到粗产品。 硫酸铜的溶解度随温度升高而增大， 可用重结晶法提纯。在粗产品硫酸铜中， 加适量水，加热成饱和溶液， 趁热过滤除去不溶性杂质。 滤液冷却，析出硫酸铜， 过滤，与可溶性杂质分离，得到纯的硫酸铜。T/K 273 293 313 333 353 373 五水硫酸铜23.1 32.0 44.6 61.8 83.8 114.0 硝酸铜83.5 125.0 163.0 182.0 208.0 247.0 三主要仪器与试剂1 仪器烧杯量筒热过滤漏斗减压过滤装置台称 坩埚钳，

3、蒸发皿。2 试剂 Cu (s) 、 H2SO4、 HNO3(2.5mol/L; 0.5mol/L) 四操作步骤操作现象及解释注意事项1 称量 1.5g 铜屑， 灼烧至表面呈现黑 色，冷却；红色铜片变成黑， 铜片表 面被氧化了Cu(s, 红色) + O2 CuO(s,黑色 ) 灼烧铜片时，要先小火预热， 蒸发 皿放在泥三角上，先均与加热再集 中加热，玻璃棒不要直接碰蒸发皿 壁，坩埚钳要预热，2 加 5.5mL3molL-1 硫 酸，2.5mL浓硝酸， 反应平稳后水浴加 热，补加 2.5mL3molL-1 硫 酸，0.5mL浓硝酸；加浓硝酸之后有黄棕色 气体生成，溶液呈蓝色。Cu + 2HNO3

4、+ H2SO4 = CuSO4+2NO2() + 2H 2O Cu2+在水溶液中呈蓝色，NO2是红棕色气体 , 水浴加热时水在大烧杯的2/3 处， 第一次加完酸后，要等反应平稳后 才水浴加热，如在反应激烈时水 浴加热，由于温度提高， 使反应速 度提高，反应更激烈， 溶液有可能 溢出容器；而且要在蒸发皿上盖表 面皿，因为水浴加热反应的同时， 也在蒸发浓缩溶液，体系溶剂减 少，产物硫酸铜会析出， 包在未反 应的铜屑外面，使反应速度减慢， 故要加盖表面皿。3 铜近于完全溶解 后，趁热倾滗法分 离；没有残余物，因为用的是 纯铜片，都能被混酸溶 解。 4 水浴加热，蒸发 浓缩至结晶膜出现；从中间成膜，浓

5、缩溶液 后，溶液达到过饱和， 就 会有晶体析出。 由于溶剂 在溶液表面蒸发快， 溶液 表面容易达到过饱和而 析出晶体，当溶液表面被 晶体铺满时，出现由晶体 形成的膜，这就是晶体 膜。从中间结膜好 , 从边上结膜说明边 上温度高 , 容易失水变白5 冷却、过滤；得到蓝色晶体CuSO4 +5 H2O = CuSO45H2O （蓝色晶体）从滤瓶中倒出液体时要快， 所以事 先准备好干的小烧杯6 粗产品以 1.2mL 水/g 的比例，加热溶 于水，趁热过滤；滤液呈蓝色 Cu2+在水溶液中呈蓝色7 滤液冷却、过 滤；得到纯净的五水 硫酸铜晶体逐渐长出蓝色晶体， 先是 棒状，再长大呈棱形。 CuSO4 +5

6、H2O = CuSO45H2O （蓝色晶体）五实验结果及分析结果： 1. 上述得到的粗产品的重量为：5.30g 2. 重结晶后得到的产品重量为：2.39 g 分析： 1. Cu CuSO4 CuSO45H2O(s) 64 160 250 1.5g 3.75g 5.86g 产率 = 5.30g/5.86g100% = 90.4%2. 理论重结晶率为： (83. 8g-27.5g)/83.8*100%=67.2% 实际重结晶率为： 2.39 / 5.30 * 100% = 45.1% ( 在 283K与 353k 时的溶解度分别为27.5g/100g 水、83.8g/100g 水) 六讨论：1.

7、列举从铜制备的其他方法，并加以评述。答：由铜制备硫酸铜时铜的价态升高了，因此各种制备方法的共同点是找一个氧 化剂。氧化剂不同，制备上有差异，因此，每一种制备方法均有优缺点，请根据 此思路考虑其他制备方法。同样由铜制备氯化铜、醋酸铜的关键也是找氧化剂， 只是酸根不同而已。可先将铜通风加热 , 制取氧化铜 , 再将氧化铜与稀硫酸反应制备硫酸铜 2Cu+O2=2CuO( 加热) CuO+H2SO4=CuSO4+H2O 2. 计算 1.5g 铜完全反应所需要的3mol/L 硫酸和浓硝酸的理论值，为什么要用 3mol/L 硫酸？答： (1.5g /64g/mol)(31000mol/mL) = 7.8m

8、L反应中生成了硫酸铜， 为了避免硫酸铜析出而包裹铜阻止反应的进行，为使铜和 硝酸的氧化反应继续进行， 体系要有足够的水， 通过溶解度的计算可知在浓硝酸 确定的情况下，用3molL-1 的硫酸能使生成的产物溶解而不析出。思考题： 1. 硝酸在制备过程中的作用是什么？为什么要缓慢分批加入， 而且尽量少加？答：硝酸是氧化剂。加快了会有大量气体放出，会夹带溶液，使溶液溢出容器； 分批加是为充分利用硝酸， 避免未反应的酸在加热时分解。 反应时，硝酸加多了， 会导致粗产品中含有较多的硝酸铜，致使粗产品呈绿色。2. 在粗产品的制备过程中，分离了哪些杂质？答：未反应完全的铜，以及铜片中不与混酸反应的固体杂。3

9、. 简述重结晶原理。是否所有的物质都可以用重结晶方法提纯?每克粗产品需 1.2ml 水重结晶的依据是什么？答： 重结晶是利用固体混合物中目标组分在某种溶剂中的溶解度随温度变化有明 显差异，在较高温度下溶解度大，降低温度时溶解度小，从而能实现分离提纯。不是，适用于重结晶法提纯的物质应具备随温度变化溶解度变化较大的性质，如 硝酸钾、五水硫酸铜等，这样提纯后的产率较大。还有一种重结晶法是提纯物质在不同温度下的溶解度差别不是很大时采用，可以 稍多加一些水，加热溶解，趁热过滤后，再加热蒸发至表面出现晶体（刚达到饱 和），随即冷却结晶。对于在不同温度下， 溶解度差别不大的物质如氯化钠，则不能用重结晶法提纯

10、， 否则提纯产率太低。 353K时：100g 水中溶解五水硫酸铜83.8g，由此得出提纯 物硫酸铜与溶剂水之间的关系：1gCuSO4 5H2O 需水(100g/83.8g =1.2g ) 1.2ml 的比例关系。4. 蒸发浓缩溶液可以用直接加热也可以用水浴加热的方法，如何进行选择？首先由溶剂、溶质的性质决定。如加热由易燃、沸点在353K以下的有机溶 剂组成的溶液时，用水浴加热方便安全。溶质的热稳定性、 氧化还原稳定性也决定了加热的方式。如五水硫酸铜受热时分 解（热稳定性） CuSO4 5H2O = CuSO4 3H2O + 2H2O （ 375K）CuSO4 3H2O = CuSO4 H2O

11、+ 2H2O （ 386K）CuSO4 H2O = CuSO4 + H2O （531K ）实验者对蒸发速度的要求是其次的考虑，当希望溶液平稳地蒸发，也用水 浴加热，沸腾后溶液不会溅出，当然，蒸发速度相对要慢些。七问题及分析1.1 为了产量多一些，多称些铜屑；不正确，因为加入的酸是根据铜的质量计算而来的，所以不能称多。1.2 灼烧的目的是为了氧化铜；不正确，灼烧的目的是为了除去铜表面的油污。1.3 灼烧完就可以加硫酸、硝酸，能节省时间；不正确，因为刚灼烧完的蒸发皿很烫， 马上加酸，会使之炸裂； 此外由于温度高， 反应太剧烈，反应液会从蒸发皿中溢出，而且硝酸会大量分解。2.1 为什么不用浓硫酸与铜

12、反应制备五水硫酸铜？浓硫酸有氧化性，可以与铜反应：Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O 由于浓硫酸中水很少， 产物是白色的无水硫酸铜， 而不是五水硫酸铜， 无水硫酸 铜与稍过量的浓硫酸形成稠状物，而且浓硫酸具有强酸性、 脱水性，无法用滤纸 过滤；浓硫酸与铜的反应复杂， 除上述主反应外， 还有一系列副反应，产生硫化亚铜、 硫化氢、硫酸亚铜等：4Cu + SO2 = Cu2S + 2CuO Cu2S + H2SO4 = Cu2SO4 + H2S H2S + H2SO4 = SO2 + S +2H2O S + 2H2SO4 = 2H2O + SO2Cu2SO4 + 2H2

13、SO4 = 2CuSO4 + SO2 + 2H2O 究竟哪一个副反应最可能发生， 须视反应条件而定， 若铜过多，硫酸量相应少些， 就会有黑色的硫化亚铜生成， 当温度高时，硫化亚铜作为产物和硫酸铜同时存在， 其反应如下：5Cu + 4H2SO4 = Cu2S + 3CuSO4 + 4H2O (403443K) 因此铜和浓硫酸的反应产物是与铜和浓硫酸的相对量、反应温度有关。2.2 为什么用 3molL-1 的硫酸？反应中生成了硫酸铜，为了避免硫酸铜析出，使铜和硝酸的氧化反应继续进 行，体系要有足够的水， 可借助于溶解度计算体系中含有多少水，才足以使生成 的产物溶解而不析出。反应在 373K的水浴上

14、进行，由于反应中有水的蒸发；倾滗法分离时温度还 要降低，故参考 353K时硫酸铜的溶解度进行计算。溶解理论产量的五水硫酸铜需要水：7.04g( 约等于 7mL) 原料 8mL3mol L-1硫酸(1.18,25%) 带入体系的水为7.08g( 约等于 7.1mL) 3mL浓硝酸 (1.40,68%) 带入体系的水为：1.34g( 约等于 1.3mL) 1mol铜在反应中生成 2mol 水，结晶时需要5mol 水，故结晶过程中需要水 为 1.28g( 约等于 1.3mL)。综合考虑：溶解与结晶需要水： 7.04+1.28=8.32 约等于 8.3mL 原料所提供的水： 7.08+1.34=8.4

15、2g 约等于 8.4mL 故两者吻合，说明在浓硝酸确定的情况下，用3molL-1 的硫酸是合适的。2.3 为什么要缓慢、分批的加浓硝酸？当大量气体放出的时候会夹带溶液，使溶液溢出容器。充分利用硝酸，避免未反应的酸在加热时分解。2.4 第一次加完酸后， 为什么要等反应平稳后才水浴加热、而且要在蒸发皿上盖 表面皿？如在反应激烈时水浴加热，由于温度提高，使反应速度提高，反应更激烈，溶液 有可能溢出容器，所以要等反应平稳后才水浴加热。如不盖表面皿，则在水浴加热反应的同时，也在蒸发浓缩溶液，体系溶剂减 少，产物硫酸铜会析出，包在未反应的铜屑外面，使反应速度减慢，故要加盖表 面皿。请在实验前挑选好蒸发皿和

16、表面皿，使之很好吻合。2.5 什么时候补加稀硫酸、浓硝酸？当反应平稳， NO2红棕色气体比较少时，说明第一次加的酸已经大部分反应，此 时可以补加酸，根据实验情况，一般在水浴加热1015min 后补加。3.1 如何判断铜屑已经近于反应完？取下表面皿，用坩埚钳从水浴上取下蒸发皿观看，如果溶液内没有铜或很少时， 反应已近于完成。3.2 为什么可用倾滗法转移溶液，此步骤的目的是什么?是为了分离未反应的铜，由于铜的密度大，沉在容器底部，故可以用倾滗法分 离。3.3 为什么要趁热用倾滗法转移溶液？溶液一旦冷却，因硫酸铜的溶解度降低而有晶体析出， 从而给分离带来困难， 所以一定要快速、趁热转移溶液。请预先准备好小烧杯、玻棒、坩埚钳，用坩埚 钳从水浴上取下蒸发皿， 手拿蒸发皿，用玻璃棒引流（玻璃棒放在蒸发皿出液口） ， 先快后慢的转移溶液到小烧杯。4.1 什么是结晶膜？当蒸发、浓缩溶液后，溶液达到过饱和，就会有晶体析出。由于