堿式碳酸銅的制備

陳靜 石曉波 龔麗維 潘榮楷

(湛江師范學院化學科學與技術學院 廣東湛江 524048)

堿式碳酸銅是一種具有廣泛用途的化工產品，主要用于固體熒光粉激活劑和銅鹽制造，油漆、顏料和煙火的配制，也可用作木材防腐劑、水體殺藻劑、農作物殺菌劑、飼料添加劑等。堿式碳酸銅(CuCO3·Cu(OH)2)為草綠色或綠色結晶物，屬單斜晶系，是自然界中孔雀石的主要成分,易溶于酸和氨水，不溶于水,分解溫度為220℃，在100℃的水中易分解[1-3]。主要的生產方法包括硫酸銅法、硝酸銅法和氨法。大學無機化學實驗教材安排了一個采用CuSO4為原料、Na2CO3為沉淀劑制備堿式碳酸銅的設計實驗[4]。在實驗中，通過對生成物顏色和狀態的分析，研究反應物的合理配料比，并確定合適的反應溫度條件，以培養學生獨立設計實驗的能力。但在實驗過程中存在條件較難控制，副反應多，反應現象差異性不明顯等不足。因此，按照教材進行教學，實驗效果不是特別理想。許多研究人員對該實驗進行了條件探索和改進[5-10]。為了使該實驗更好地在教學中發揮作用，本文將該實驗設計成綜合性實驗，在大三的學生中選修，符合學生的知識能力和水平，實驗后以小論文形式完成實驗報告，收到了較好的效果。

1 儀器及試劑

1.1 儀器

電熱恒溫水浴鍋,干燥箱,秒表，pH510臺式酸度計，TG/DTA320型熱重/差熱分析儀(日本精工),島津AY120型電子分析天平(島津國際貿易(上海)有限公司)。

1.2 試劑

五水合硫酸銅，無水碳酸鈉，氯化鋇，七水合硫酸鋅，氫氧化鈉，二甲酚橙，乙二胺四乙酸，六亞甲基四胺，濃鹽酸。以上試劑均為分析純。

1.3 實驗方法

2CuSO4+2Na2CO3+H2O=Cu2(OH)2CO3+CO2↑+2Na2SO4

1.4 Cu2+含量測定[11]

采用EDTA反滴定法測定Cu2+含量。配制濃度約為0.02mol/L Zn2+標準溶液和0.02mol/L EDTA溶液，用Zn2+標準溶液標定EDTA濃度。然后用分析天平準確稱取約0.5g堿式碳酸銅樣品于100mL小燒杯中,加入20mL蒸餾水攪拌，再加入0.8mL 6mol/L的硫酸使其完全溶解，冷卻至室溫后，定量轉移到250mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻，備用。

移取20.00mL上述配好的溶液，用EDTA標準溶液滴定至深藍色，消耗的EDTA標準溶液體積記為V1。加20mL六亞甲基四胺-HCl緩沖溶液，此時藍色變得更深，加2滴二甲酚橙指示劑，溶液變為綠色，用Zn2+標準溶液滴定至溶液由綠色恰變為藍色時為滴定終點，消耗Zn2+標準溶液的體積記為V2，平行滴定3份，其相對平均偏差不得大于0.2%，計算公式為：

式中w%為質量百分數，ms為堿式碳酸銅樣品的質量，M為摩爾質量。

1.5 TG/DTA分析

對干燥后實驗的樣品進行TG/DTA測試。在氮氣氣氛下，升溫速率為10℃/min，溫度范圍為25～600℃。

2 結果與討論

2.1 反應物配比對產物的影響

取4個小燒杯和4個錐形瓶，在每個小燒杯內加入50mL 0.50mol/L CuSO4溶液，在4個錐形瓶中分別加入40mL、50mL、60mL、70mL 0.50mol/L Na2CO3溶液，置于70℃水浴中加熱，按反滴法進行實驗，測定產物中的Cu2+含量，結果見表1。

表1 不同反應物配比對產物的影響

V(CuSO4)=50mL，反應溫度70℃。

對產物進行熱重-差熱分析，測試條件：氮氣氣氛，升溫速率為10℃/min。TG曲線表明：產物由286℃左右開始失重，到450℃左右失重12.6%，CuO含量為 87.4%，則Cu2+的質量分數為69.9%，與理論值(57.6%)相差較大；DTG曲線有許多雜峰，說明產物不純。

路基路面防水處理在設計階段和施工階段需要遵循的事項如下：（1）在設計階段，要降低或是阻隔可能影響公路路基路面整體穩定性的地下水，必要情況下，可疏干地下水，將地下水引流至路基路面施工范圍以外，對于影響路基路面整體穩定性的地面水，采取同樣的引流方式，可適當攔截，防止地面水沿公路路面下滲；（2）在施工階段中，要對路基路面防水設計進行核對，根據施工現場實際情況對設計方案進行必要的修改或是完善，確保后期施工穩妥。在路基施工現場要預先設置臨時排水渠道。同時在后期的路基養護中要對排水設施進行定期檢修，以保證沉降在路基路面的水能夠及時被導出并排除[1]。

如圖2～圖4所示，產物在300℃左右開始分解，到400℃左右，質量趨于恒定。從而表明樣品在400℃以下的熱分解過程是一步完成的，失重率約為28.4%，與純堿式碳酸銅的熱分解曲線相一致，可以據此判定產物為堿式碳酸銅[12]。同時得到CuO含量為71.6%，換算成Cu2+含量為57.3%，約等于堿式碳酸銅中Cu2+的理論含量(57.6%)。由此可見，用熱分析與Cu2+含量兩種方法判斷產物純度，得出的結論是一致的，所以在該實驗中，用Cu2+含量可以初步判斷產物的純度。

圖1 TG/DTG圖V(CuSO4):V(Na2CO3)=1:0.8

圖2 TG/DTG圖V(CuSO4):V(Na2CO3)=1:1

圖3 TG/DTGV(CuSO4):V(Na2CO3)=1:1.2

圖4 TG/DTG圖V(CuSO4):V(Na2CO3)=1:1.4

2.2 反應溫度對產物的影響

按2.1求得的最佳配料比(V(CuSO4):V(Na2CO3)=1:1.2)，取4份溶液分別置于50℃、60℃、70℃和80℃的恒溫水浴中平衡一段時間后，按前述方法實驗，結果見表2。

表2 溫度對產物的影響

從表2可知，反應溫度在50～80℃時，Cu2+含量與理論值接近，說明此溫度范圍內反應對產物品質影響不大。隨著溫度升高，反應速度加快，產率也逐漸增加，至80℃時產率下降，可能是由于堿式碳酸銅不穩定，在生成的同時，也有少部分發生了分解反應。所以反應的較優溫度為70℃左右，這時產品的品質好，顏色為翠綠色，產率高。

2.3 加料順序對產物的影響

除加料順序外，采用前述所得最佳條件(V(CuSO4):V(Na2CO3)=1:1.2，反應溫度70℃)制備產物，結果見表3。

表3 正滴法和反滴法對比

由表3結果可知，正滴法較反滴法產率低，Cu2+含量也低于理論值。經分析認為是由于不同的投料順序使堿式碳酸銅顆粒從母液中析出的方式不同所致[8]。

2.4 反應pH對反應產率的影響

根據2.1和2.2得到的最佳配比和最佳反應溫度，在70℃和V(CuSO4):V(Na2CO3)=1:1.2的配料比下，用0.05mol/L NaOH溶液或0.05mol/L HCl溶液調節反應體系的pH，進行實驗，結果見表4。

表4 不同pH對反應產物的影響

從表4可知，pH=6.50時，實驗測得的Cu2+含量比理論值小。可能是因為在反應過程中，硫酸銅呈弱酸性，得到的產物是堿式碳酸銅和堿式硫酸銅的混合物；pH=9.97時，可能反應中生成了氫氧化銅，得到的產物是氫氧化銅與堿式碳酸銅的混合物，所以實驗測得的Cu2+含量比理論值高；當pH=8.50和8.88時，實驗測得的Cu2+含量與理論值很接近，說明產物比較純。因此，反應液的最佳pH應該在8.50～8.88之間，這時的產品質量好，顏色隨pH增大而變得更翠綠。

2.5 堿式碳酸銅制備過程的優化設計

(1) 取50mL 0.5mol/L的CuSO4溶液置于150mL燒杯中，再取60mL 0.5mol/L的Na2CO3溶液于250mL錐形瓶中，同時置于70℃水浴中，使之達到恒溫。

(2) 將CuSO4溶液倒入Na2CO3溶液中，用0.05mol/L NaOH溶液調節pH為8.50～8.88之間，以300r/min攪拌至體系顏色轉變為綠色，靜置。

(4) 將所得產品置于烘箱中,于100℃左右烘干，稱量，計算產率。

(5) 實驗結果：Cu2+含量為57.6%，產率為92.3%。

3 結論

(1) 該實驗內容包括無機化學、分析化學、儀器分析等課程內容，實驗內容接近科研和生產實際，符合學生知識水平。實驗還可以對攪拌速率對實驗結果的影響做進一步探討。在實驗條件允許的情況下，還可以對產物進行X射線衍射分析，更進一步確定產物的組成及純度。

(3) 堿式碳酸銅制備實驗的反應最佳條件為：溫度70℃，配比V(CuSO4):V(Na2CO3)=1:1.2，反應液pH 8.50～8.88;最佳條件下的反應產率為92.3%，測得Cu2+含量為57.6%。

[1] 化學工業部天津化工研究院.化工產品手冊(無機化工產品).北京:化學工業出版社,1989

[2] 甘肅師范大學化學系.簡明化學手冊.蘭州:甘肅人民出版社,1980

[3] 天津化工研究院.無機鹽工業手冊(上冊).第2版.北京:化學工業出版社,1999

[4] 北京師范大學無機化學教研室.無機化學實驗.北京:高等教育出版社,2001

[5] 管春平,韋薇,楊曉瑩,等.大學化學,2007,22(6):42

[6] 魏興國,董巖,孟繁宗,等.德州學院學報,2002,18(4):36

[7] 宋力，劉小玉，王曉蘭，等.天津化工,2010,24(6):30

[8] 黃千鈞.云南化工,1994(2):47

[9] 陳彥玲,蘇麗宏,唐艷茹.長春師范學院學報,2006,25(2):35

[10] 陳秀宇,丘雪芬.福建師范大學福清分校學報,2007,82(5):44

[11] 華中師范大學,東北師范大學,陜西師范大學,等.分析化學實驗.北京:高等教育出版社,2001

[12] 曹瑰華,從長杰,陶友田,等.武漢大學學報(理學版),2005,51(4):416