硫酸铜晶体制备实验的绿色化改进

1、硫酸铜晶体制备实验的绿色化改进*何丽君*霍彩霞许世红李生英何静娴(兰州城市学院化学与环境科学学院甘肃兰州730070摘要对以铜粉为原料、硝酸为氧化剂的硫酸铜晶体制备实验进行了绿色化改进。结果发现,铜粉的研磨及灼烧时间、介质的酸度及氧化剂对产品质量都有影响。当铜粉的研磨时间为20m i n、灼烧时间35m i n及用3m o l/L的H2S O4作为介质、H2O2作为氧化剂时,产率可达67.92%,产品的质量和产率比传统的制备方法有明显提高,符合绿色化实验的要求。关键词硫酸铜晶体制备绿色化学研磨灼烧双氧水D O I:10.13884/j.1003-3807h x j y.2015070062硫酸

2、铜晶体的制备实验是无机物制备实验中一个很重要的实验1-2。该实验体现了氧化还原反应和酸碱中和反应在无机化合物制备中的应用,且涉及称量、溶液配制、减压过滤、浓缩结晶、固液分离等多种基本操作方法,是一个培养学生动手能力、观察能力、分析问题和解决问题能力的实验项目。目前实验室制备硫酸铜晶体基本都是采用以铜粉为原料,硝酸为氧化剂3-5,这种制备方法存在以下问题:(1反应中有大量N O2气体放出,而N O2是一种有刺激性且有毒性的气体,严重影响师生的身心健康。(2N O2与空气中的水蒸气结合生成硝酸,会腐蚀实验室的设备。(3在实验中加入硝酸氧化剂,可以提高原料利用率,但产品中有C u(N O32,使制得

3、的C u S O4不纯。针对以上问题,本文从原料处理、介质酸度及氧化剂种类等多方面进行探讨研究,发现当对原料铜粉进行研磨,且灼烧充分,加入H2O2氧化剂,同时调节合适的酸度,产物产率可达68%左右,产品的质量和产率比传统制备方法有明显提高。这种改进使硫酸铜晶体制备实验成为一种既能充分利用原料,提高产率和纯度,又能减少环境污染的对环境友好的绿色实验。1实验部分1.1实验原理以铜粉为原料,先进行灼烧,使铜粉一部分转化为氧化铜,氧化铜可以和硫酸直接反应得到硫酸铜目标产物,没转变成氧化铜的铜粉,在氧化剂存在的条件下转变为C u2+,再与S O2-4结合生成硫酸铜。1.2仪器与药品仪器:M i c r

4、o-p l u s激光衍射粒度分析仪(英国马尔文公司、B S A124S电子分析天平(赛多利斯科学仪器有限公司、研钵、蒸发皿、烧杯、量筒、玻璃棒、酒精灯、漏斗、布氏漏斗、抽滤装置、表面皿、铁架台、石棉网、镊子、药匙。药品:铜粉(上海中秦化学试剂有限公司、浓硝酸(天津市化学试剂五厂、浓硫酸(白银化学试剂厂、30%H2O2(天津市凯通化学试剂有限公司、无水乙醇(天津市富宇精细化工有限公司,以上试剂均为分析纯,实验用水为蒸馏水。1.3实验方法称取一定量研磨后的铜粉,放入蒸发皿中,强烈灼烧至黑色,让其自然冷却。在灼烧过的铜粉中,加入一定量一定浓度的H2S O4,再加入一定量氧化剂,待反应缓和后盖上表面

5、皿,水浴加热,在加热过程中补充一定量的H2S O4,待铜粉近于全部溶解后,趁热用倾析法将溶液转至洗净的蒸发皿中,水浴加热,浓缩至表面出现晶膜,取下蒸发皿,使其自然冷却,析出粗C u S O4·5H2O,抽滤,无水乙醇洗涤,干燥后称量,计算产率。2结果与讨论2.1铜粉研磨对硫酸铜晶体产率的影响用激光衍射粒度分析仪测得原料铜粉的中位径为58.3m,在制备硫酸铜晶体之前,对原料铜粉进行研磨(研磨时间见表1,称取研磨后的铜粉1.5g,经过35m i n灼烧,加入5.5m L3m o l/L H2S O4制备硫酸铜晶体,结果见表1。发现在实验前对原料先进行研磨,由于铜粉的中位径数值变* * *

6、兰州城市学院2013年本科教育教学研究项目(2013-J Y-20通信联系人,E-m a i l:h e l i j u n00163.c o m小,颗粒变小,使产品的产率增加,但研磨时间不能太长,否则反而使产品产率降低。这是由于随着研磨时间的增加,原料颗粒变小,这种小颗粒的铜粉在进行灼烧时容易发生团聚,影响铜粉的充分氧化而造成产品产率降低。所以实验中对铜粉在反应前进行20m i n的研磨。表1研磨时间对硫酸铜晶体产率的影响T a b l e1E f f e c to fm i l l i n gt i m eo nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t

7、 ec r y s t a l2.2铜粉灼烧时间对硫酸铜晶体产率的影响称取研磨20m i n的铜粉1.5g于蒸发皿中,进行灼烧(灼烧时间见表2,然后在铜粉中加入5.5m L3m o l/LH2S O4制备硫酸铜晶体,结果见表2。发现对原料铜粉进行充分的灼烧,有利于提高硫酸铜晶体的产率,但灼烧时间达到35m i n后,产品产率不再增加,这是因为铜粉的充分灼烧,可以使其转化为氧化铜,氧化铜可以和硫酸直接反应制备得到硫酸铜目标产物,灼烧产生的氧化铜的量越多,硫酸铜晶体的产率越高,但灼烧一定时间后产品产率基本不再增加,可能这是由于在空气中的灼烧只能使铜粉的表面完全氧化,而内部没有反应之故。因此在实验中

8、选择对铜粉进行35m i n的灼烧后再进行反应。表2灼烧时间对硫酸铜晶体产率的影响T a b l e2E f f e c to fc a l c i n a t i o nt i m eo nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t ec r y s t a l铜粉灼烧时间/m i n反应液颜色产物质量/g剩余铜屑质量/g产率/% 5淡绿色几乎为零1.380 10淡蓝色0.931.2715.87 20淡蓝色1.591.0527.13 30蓝色2.080.8535.49 35深蓝色2.360.6040.27 40深蓝色2.350.6240.102.3硫酸浓度

9、对硫酸铜晶体产率的影响称取研磨20m i n的铜粉1.5g于蒸发皿中,灼烧35m i n,然后加入5.5m L不同浓度的H2S O4溶液制备硫酸铜晶体,结果见表3。发现H2S O4的浓度会影响产品的产率,3m o l/LH2S O4所得到硫酸铜晶体的产率最高,原料的利用率最高,太浓的硫酸反而不利于提高硫酸铜晶体的产率。这是因为随着硫酸浓度的增加,产物中会出现别的物质,如C u S,C u2S及白色的硫酸铜产物6,这些物质在前期倾析时被除去,最终降低了产品的产率。表3硫酸浓度对硫酸铜晶体产率的影响T a b l e3E f f e c to fs u l f u r i ca c i dc o

10、n c e n t r a t i o no nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t ec r y s t a l硫酸的浓度/m o l/L反应液的颜色产物质量/g剩余铜屑质量/g产率/% 2蓝色2.050.7434.98 3深蓝色2.410.5141.13 6淡蓝色0.810.8713.82 9白色0.260.954.44 18纯白色0.091.221.542.4氧化剂对硫酸铜晶体产率的影响通过对上述条件的研究,发现原料的研磨及灼烧都可使硫酸铜晶体的产率增加,但由于铜粉在空气中的氧化不是很完全,反应后仍有剩余铜粉,为使原料的利用率进一步提高,加入氧化

11、剂。称取研磨20m i n的铜粉1.5g于蒸发皿中,灼烧35m i n,加入5.5m L3m o l/L的H2S O4,再加入传统制备中的氧化剂浓硝酸制备硫酸铜晶体,并将得到的产品用无水乙醇洗涤干净后干燥称量,结果见表4。发现随着浓硝酸体积的增加,产物的产量明显提高。为了验证硫酸铜的纯度,对所得产品配成溶液用氯化钡沉淀S O2-4,通过沉淀量的多少计算产品的纯度,结果见表5。发现硫酸铜的纯度只有60%左右,可见加入浓硝酸可以提高产率,但会造成硫酸铜不纯,且反应中逸出的N O2气体会对实验中师生的身心造成伤害,对环境造成污染。表4浓硝酸对硫酸铜晶体产率的影响T a b l e4E f f e c

12、 to fn i t r i ca c i do nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t ec r y s t a l浓硝酸体积/m L反应液颜色产物质量/g剩余铜屑质量/g产率/% 1蓝色1.870.3831.91 2深蓝色2.070.0035.32 3深蓝色3.090.0052.73表5浓硝酸对硫酸铜纯度的影响T a b l e5E f f e c to fc o n c e n t r a t e dn i t r i ca c i do nt h ep u r i t yo fc o p p e rs u l f a t e硫酸铜晶体质量/g硝

13、酸体积/m L沉淀质量/g纯度%0.310.158856.730.320.170060.800.330.167459.87称取研磨20m i n的铜粉1.5g于蒸发皿中,灼烧35m i n加入5.5m L3m o l/LH2S O4,改变氧化剂浓硝酸为H2O2制备硫酸铜晶体,并将得到的产品用无水乙醇洗涤干净后干燥称量,结果见表6。发现随着质量分数10%H2O2的体积增加,硫酸铜的产量增加,达到50%后基本不变,反应液中还有剩余铜粉,为使铜粉的利用率提高,在此体系中分别加入9、10、12、14m L3m o l/LH2S O4,结果见表7,发现产品的利用率高达68%左右。表6H2O2的量对硫酸铜

14、晶体产率的影响T a b l e6E f f e c to ft h ea m o u n to fH2O2o nt h ey i e l do fc o p p e rs u l f a t ec r y s t a lH2O2体积/m L铜粉溶解情况产物质量/g产率/% 1未完全2.7346.592基本完全2.9850.853基本完全2.9850.85表7增加硫酸的量对硫酸铜晶体产率的影响T a b l e7E f f e c to ft h ei n c r e a s i n ga m o u n to fs u l f u r i ca c i do nt h ey i e l do

15、 fc o p p e rs u l f a tc r y s t a l增加硫酸体积/m LH2O2体积/m L铜粉溶解情况产物质量/g产率/% 93未完全2.9850.85103未完全3.0552.05123少量剩余3.6562.28143完全溶解3.9867.92这是因为过氧化氢在酸性条件下具有较强的氧化性7,且其还原产物是水,不会给体系引入杂质,加入过氧化氢的同时,再进一步提高酸度,可有效提高过氧化氢的氧化性,促使铜粉转变为C u2+,在硫酸介质中可充分转变为硫酸铜,提高原料的利用率和产品的产率,其反应过程如下8:C u+H2O2+H2S O4=C u S O4+2H2O以上实验均在室

16、温条件下完成,实验发现温度对产品产率的影响不大,因此在硫酸铜晶体的制备实验中可以不考虑温度的影响。3结论通过对传统硫酸铜晶体制备实验的改进,发现原料铜粉的研磨和灼烧、介质的酸度和氧化剂的选择对硫酸铜晶体的产品质量有一定的影响。当对铜粉研磨20m i n、灼烧35m i n,再以3m o l/LH2S O4作为介质、H2O2作为氧化剂制备硫酸铜晶体,产率可达67.92%,比硫酸-硝酸氧化法制备的产品的质量和产率有明显提高。这种改进的方法从根本上改变了硫酸-硝酸氧化法制备硫酸铜晶体实验的弊端,且原料清洁、操作简单,对环境基本不存在污染,原料利用率高,符合现代绿色化学理念。参考文献北京:科学出版社,

17、2005:228-2293方宾,王伦.化学实验(上册.北京:高等教育出版社,2003:112-11480-81社,2007:269-2726王春.化学教育,2009,30(10:58-597北京师范大学,华中师范大学,南京师范大学.无机化学.4版.北京:高等教育出版社,2003:4938芮斌.化学教育,2011,32(12:76,88G r e e nI m p r o v e m e n to fP r e p a r a t i o no fC o p p e rS u l f a t eC r y s t a lH EL i-J u n*HU OC a i-X i aX US h i-H

18、 o n gL IS h e n g-Y i n gH EJ i n g-X i a n(C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e,L a n z h o uC i t yU n i v e r s i t y,L a n z h o u730070,C h i n aA b s t r a c tT h i sp a p e rs t u d i e dt h eg r e e ni m p r o v e m e n to fp r e p a r a t i o no fc o

19、 p p e rs u l f a t ec r y s t a l w i t hc o p p e ra sr a wm a t e r i a l,n i t r i ca c i da st h eo x i d a n t.T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o d u c tq u a l-i t yw a sa f f e c t e db yt h eg r i n d i n ga n dc a l c i n a t i o nt i m eo fc o p p e rp o w d e r,s u l f u r i ca c i dc o n c e n t r a t i o n a n do