金色羊毛: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 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⁺，Cu²⁺与SO₄^2-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) 、 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5.5mL3mol·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，蒸发浓缩至结晶膜出现；

从中间成膜，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。

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 = 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。CuSO₄ +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  —  CuSO₄  —  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 + SO₂ = 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，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。