大学化学实验-五水硫酸铜的制备

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 2HNO 3 H2SO4 CuSO4 2NO2 2H 2O CuSO4 5H2O CuSO4 5H2O 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 Cu 2 与 SO42 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 利用硝酸铜的溶解度在273K 373K 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 蒸发皿 2 试剂 Cu s H 2SO4 HNO 3 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 5mL3mol L 1 硫酸 2 5mL 浓硝酸 反应平稳后水浴加 热 补加2 5mL3mol L 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 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 从中间成膜 浓缩溶液后 溶液达到过饱和 从中间结膜好 从边上结膜说明边上温度高 容易失水变白 出现 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 5 冷却 过滤 得到蓝色晶体 CuSO4 5 H2O CuSO4 5H2O 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 CuSO 4 5H2O CuSO4 5H2O 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 CuSO 4 CuSO4 5H2O s 64 160 250 1 5g 3 75g 5 86g 产率 5 30g 5 86g 100 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 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 3 1000mol mL 7 8mL 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3mol L 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 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 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 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 SO 2 Cu2S 2CuO Cu2S H2SO4 Cu2SO4 H2S H2S H2SO4 SO2 S 2H2O S 2H2SO4 2H2O SO2 Cu2SO4 2H2SO4 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 403 443K 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3mol L 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 42g 约等于8 4mL 故两者吻合 说明在浓硝酸确定的情况下 用3mol L 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 NO 2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10 15min 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 5 1 如何判断蒸发皿内的溶液已经冷却 为什么要冷却后才能过滤 此步骤操作的目的是什么 用蒸发皿的底部接触手背 如与体温相同 则判断溶液已经冷却 过滤的目的是使产品硫酸铜与可溶性杂质硝酸铜分离 得到粗产品 如果溶液没有冷却就过滤 滤液遇到冷的滤瓶 因温度降低 滤瓶内析出硫酸铜晶体 使产品损失 6 1重结晶时 提纯物与溶剂之间的量的关系如何确定 重结晶的第一步是加适量水 加热后能使提纯物全部溶解 趁热过滤后与不溶物分开 此步关键是加水量 加水的 量由物质的溶解度决定 要考虑的是哪个温度下的溶解度 由于在加热溶解过程中会有溶剂的蒸发 趁热过滤时温度 也将低于373K 因此选择353K 时的溶解度为依据 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1 2mL 的比例关系 无机盐重结晶时 大多以水为溶剂 提纯物与溶剂之间量的关系均可根据上述思路进行考虑 6 2 说明硫酸铜重结晶中趁热过滤的操作要领 如何达到 要领是快 采取的措施 预先做好吸滤的准备工作 洗净漏斗 滤瓶 并用纯水荡洗 剪好合适大小的滤纸 用少 量纯水湿润 打开真空泵 微接橡皮管 使滤纸紧贴漏斗而无缝隙 准备工作做好后 再加热溶解硫酸铜 一旦溶解 立即打开真空泵 接上橡皮管 快速 全部转移溶液至漏斗中 否则会因加热时间过长 或溶液已冷引起硫酸铜析出 过滤时提纯物硫酸铜与杂质一起留在漏斗中而损失 6 3 什么情况下趁热过滤得到的滤液还要水浴蒸发 为什么会出现此情况 如趁热过滤后 滤液在冷的滤瓶中无晶体析出 可以预料就是继续冷却 得到的晶体也很少或没有 此时应将滤液 转移到蒸发皿内 水浴加热蒸发至有少量晶体出现即可 原因 粗产品硫酸铜没有抽干 即是湿的 带了多余的溶剂水 烧杯 滤瓶中均有水 未尽量倒干 造成体系中水太 多 6 4 重结晶的最高产率是多少 产率过高 过低的原因是什么 重结晶时加水量是以353K 的溶解度计算的 假定冷却到293K 的室温过滤 此时溶解度为32 0g 100gH2O 所以重结 晶的最高产率为 83 8 32 0 83 8 100 61 8 产率过低 粗产品晶体未抽干 重结晶时所用烧杯 滤瓶内有水 溶解晶体时加热时间过长 过滤时溶液已冷 二者 均引起硫酸铜析出 过滤后漏斗上有晶体而损失 产率过高 往往是在滤液中无晶体析出 在水浴上加热时 蒸发过多的水引起的 八 实验中可能存在的问题 序号 问题 原因 解决方法 1 灼烧时 蒸发皿裂了 直到水浴加热时水发 蓝才发现 违反了固体灼烧基本操作 规范固体灼烧的操作 灼烧后 检查蒸发皿有无裂痕 如有换 蒸发皿后再反应 2 反应时间已经很长了 但蒸发皿内仍有未反 应的铜 比较多的量 1 铜称量不准 称多了 有个别同学追求产量 故 意多称 2 加的硝酸量不足 3 浓硝酸加的太快而大量 分解 1 按照规定的量进行称量 2 量取硝酸的时候要仔细检 查 3 加浓硝酸的时候要缓慢 分批滴加 3 倾滗法转移溶液时 出现大量硫酸铜晶体 蒸发皿放置过久 转移溶 液速度过慢 准备工作没 做好就从水浴上取下蒸发 皿 以上导致溶液冷却 溶解度下降 洗出了硫酸 铜晶体 1 取下蒸发皿后 快速趁 热转移液体 2 请预先准备好小烧杯 玻棒 坩埚钳 4 粗产品过滤时 滤瓶 中又有晶体析出 滤液尚未冷却就开始过滤 用蒸发皿的底部接触手背 与 体温相同 则判断溶液已经冷 却 此时才能过滤 5 重结晶趁热过滤时 滤纸上有硫酸铜晶体 准备工作未做好就加热 导致加热时间过长 过滤 操作过慢 1 预先做好吸滤的准备工 作 洗净漏斗 滤瓶 并用纯 水荡洗 剪好合适大小的滤纸 用少量纯水湿润 打开真空泵 微接橡皮管 使滤纸紧贴漏斗 而无缝隙 2 准备工作做好后 再加 热溶解硫酸铜 一旦溶解 立 即打开真空泵 接上橡皮管 快速 全部转移溶液至漏斗中 否则会因加热时间过长 或溶 液已冷引起硫酸铜析出 过滤 时硫酸铜与杂质一起留在漏斗 中而损失 6 粗产品带绿色 反应时 硝酸加多了 导 致粗产品中含有较多的硝 酸铜 量取硝酸的时候一定要仔细 不能多加