水合硫酸銅制備實驗的改進

宋鑫明+劉丹霞+鄭彩娟+吳祿勇+付艷輝+李小寶

摘要：概述了CuSO4·5H2O制備的幾種不同方法。對教材中CuSO4·5H2O制備中存在的問題進行了分析，并對該實驗進行了改進。實驗以過氧化氫、硫酸、銅粉為原料，改用95%乙醇洗滌硫酸銅晶體。改進后實驗操作簡單，產品產率達95%以上，且反應過程無NO2等有毒氣體釋放，顯著提高教學效果。

關鍵詞：CuSO4·5H2O；水合硫酸銅制備；銅粉；實驗改進

文章編號：1005–6629（2015）6–0068–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

硫酸銅晶體（俗稱膽礬、藍礬或銅礬）是制備其他銅類化合物的重要前驅體，也是一種常用的化工原料和化工產品，具有廣泛的用途，它常用于電解精煉、電鍍、電池、顏料、農藥、紡織工業及有色金屬選礦工業[1，2]。在大學無機化學實驗教學中，五水硫酸銅晶體（CuSO4·5H2O）的制備是一個典型的綜合型制備實驗，是無機化學實驗教學中的重要內容之一[3]。也是中學人教版《實驗化學》教材[4]中的一個制備實驗。通過該實驗可以讓學生練習并掌握加熱、減壓過濾、蒸發濃縮和重結晶等基本操作。

目前常用的五水硫酸銅晶體制備的方法主要有濃硝酸氧化法、催化劑氧化溶解法和空氣氧化法3種[5]。濃硝酸氧化法將濃硝酸分次加入到銅與稀硫酸的混合物中，此方法在制備過程中會產生大量有毒有害的氣體NO2，且排放的NO2與空氣中的水結合后生成硝酸，腐蝕實驗室設施，嚴重污染環境，并危害實驗室人員的身體健康。催化劑氧化溶解法常用鐵離子和鹽酸作為催化劑，容易形成鐵銅硫酸鹽混晶等問題，從而嚴重影響產品的質量。空氣氧化法制備是利用廢銅粉灼燒氧化制備CuSO4·5H2O，這種實驗方法無三廢排放，避免了生產過程中有毒有害氣體的產生，但是經常有不少學生實驗失敗，出現產物結晶差、產率低等現象。

現行人教版化學選修六《實驗化學》[6]中采用空氣氧化法先將銅粉灼燒氧化成氧化銅，然后將其溶解于硫酸中，得到的粗品再用H2O2洗滌，該方法無三廢排放，操作簡單，但是成功率偏低，耗時長。大學無機化學實驗[7]中采用濃硝酸氧化法用硝酸和硫酸溶解銅，該方法反應完全，操作簡單，但是會產生大量有毒有害的氣體NO2，腐蝕實驗設備，嚴重污染環境。本文改用H2O2配合H2SO4來制備CuSO4的方法較為理想，其反應式為：

Cu+H2O2+H2SO4=CuSO4+2H2O；

CuSO4+5H2O=CuSO4·5H2O

該反應速度快，在15分鐘內即可完成，整個實驗全程大約一個小時，并且該方法具有不產生NO2毒氣、操作簡單、產率高等特點。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

試劑：銅粉（2.0克）、3MH2SO4、30% H2O2、95%乙醇

儀器：蒸發皿、鐵架臺、鐵環、鐵夾、酒精燈、玻璃棒、濾紙、普通漏斗、布氏漏斗、100mL燒杯1個、擋風板、量筒（25mL）、臺秤、抽濾泵

1.2 實驗步驟

在臺秤上稱取銅粉2.0克，往蒸發皿中加入3M的硫酸20mL，再量取10mL 30% H2O2（注意勿接觸皮膚，有腐蝕性），用滴管逐滴加入到蒸發皿中，邊加邊攪拌，直到銅粉完全溶解為止。常壓過濾后，取濾液進行濃縮操作。將上述濾液轉入到蒸發皿中，直接用酒精燈加熱濃縮，當觀察有晶體開始析出時停止加熱。冷卻結出晶體。達到室溫時，加入5mL 95%乙醇，使硫酸銅的溶解度進一步降低。將晶體移入洗滌干凈的布氏漏斗中，抽濾，將晶體進一步分離。并用少量95%乙醇洗滌。稱量，計算產率。

2 結果與討論

2.1 濃硫酸用量的影響

由于銅粉的純度不能保證百分百純，所得CuSO4溶液中常含有部分Fe2+、Fe3+及Pb2+等。Pb2+可以通過與反應中剩余的H2SO4反應生成硫酸鉛沉淀除去。Fe2+離子則需用氧化劑（30% H2O2）氧化為Fe3+離子，通過控制pH，使Fe3+離子充分水解為Fe（OH）3沉淀濾去，因此，調節溶液的pH對于CuSO4·5H2O晶體的純度非常關鍵。實驗結果表明，當pH<4時，Fe3+水解不完全，無法完全去除，而且得到的CuSO4·5H2O晶體疏松，且顏色較淺；而當pH>5時，得到的CuSO4·5H2O晶體產率低，完全脫水后顏色為藍綠色，我們推斷這是由于Fe3+水解生成沉淀的同時，Cu2+水解生成了堿式碳酸銅。所以為了抑制Cu2+水解并制得高純度的水合硫酸銅晶體，我們用稀硫酸調節溶液的pH為4.5。

2.2 溫度的影響

往盛有銅屑的燒杯中加入10mL 1：3的H2SO4，緩慢滴加30% H2O2，反應溫度最好用水浴使溫度恒定保持在40℃。由于該反應為放熱反應。溫度過高H2O2劇烈分解，會使溶液溢出燒杯，溫度過低則反應速度緩慢。因此，反應過程中溫度過高時要用冷水冷卻，待銅屑反應完全后，再加熱煮沸2min。

2.3 洗滌溶劑的影響

用純水作洗滌溶劑，洗滌2次，由于五水硫酸銅溶解于水，故濾液里面會有五水硫酸銅損失，產率都在80%以下。而我們采用95%乙醇作洗滌溶劑，同樣洗滌2次，因五水硫酸銅在95%乙醇中溶解度大大降低，所以產率都在95%以上（結果見表1）。說明95%乙醇大大降低了五水硫酸銅在水中的損失，提高了產率。

3 結論

用30% H2O2作氧化劑，用銅粉與硫酸反應來制備五水硫酸銅，30% H2O2采用慢慢逐滴滴加的方式，反應用水浴控制溫度為40度左右。硫酸用量控制在比銅粉物質的量稍過量，以保證溶液pH=4.5左右，并可以除去硫酸鉛等雜質。洗滌溶劑用95%乙醇。產率達到95%以上。

通過對五水硫酸銅制備方法的改進，針對性地解決了該制備實驗中的環境污染、產品純度和產率低等問題。改進后的實驗不僅可以在實驗室里進行，而且不產生任何有害氣體，大大優化實驗室的環境，提高了五水硫酸銅的純度和產率，顯著提升了該實驗課的教學效果。

參考文獻：

[1] M.E.波任著.無機鹽工藝學（上冊）[M].北京：化學工業出版社，1980：399.

[2]肖遠泉.飼料級五水硫酸銅的生產[J].無機鹽工業，1994，（2）：25.

[3][7]徐家寧，門瑞芝，張寒琦.基礎化學實驗——無機化學和化學分析實驗（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2013：67.

[4][6]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·實驗化學[M].北京：人民教育出版社，2007：29.

[5]吳萍，陳維，唐亞文.五水硫酸銅晶體制備實驗優化條件的探究[J].江蘇教育學院學報（自然科學），2013，29（5）：51～52.