廢鋁材制備明礬的實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

冉鳳瓊 譚建紅 朱乾華 萬邦江

摘要：以廢舊鋁質(zhì)易拉罐為原料，運(yùn)用冷卻熱飽和溶液的方法，通過對(duì)強(qiáng)堿的選擇以及堿濃度、硫酸用量、溫度等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響作了進(jìn)一步的探究，確定了實(shí)驗(yàn)室制備明礬晶體的較佳實(shí)驗(yàn)條件。當(dāng)實(shí)驗(yàn)水浴溫度T=93℃，VKOH=80mL，cKOH=2mol/L和VH2SO4=62mL，cH2SO4=3mol/L時(shí)，制備的明礬晶型較好、產(chǎn)量較高。此方法顯著縮短了制備時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)成功率。

關(guān)鍵詞：廢鋁材；明礬制備；條件優(yōu)化；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2016）6–0066–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

明礬又稱十二水合硫酸鋁鉀，是含有結(jié)晶水的硫酸鉀和硫酸鋁的復(fù)鹽。結(jié)晶學(xué)分析表明，明礬晶體屬于等軸晶系，對(duì)稱型為3L44L36L29PC，國際符號(hào)為m3m，常呈八面體單形出現(xiàn)，也可以八面體、菱形十二面體與立方體的聚形出現(xiàn)，外表規(guī)則而富有變化，色澤晶瑩透亮[1]。為了保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成功率，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，本文采用“氫氧化鋁法”探究廢鋁材制備明礬的實(shí)驗(yàn)條件，既有效地利用了廢棄資源、變廢為寶，又培養(yǎng)了學(xué)生的綠色環(huán)保意識(shí)，對(duì)于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)具有十分重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

廢舊鋁質(zhì)易拉罐、NaOH、KOH、K2SO4與H2SO4（化學(xué)純）、電子天平、抽濾裝置、水浴鍋、250mL燒杯、250mL錐形瓶、玻璃棒、pH試紙等

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

采用“氫氧化鋁法”制備明礬晶體主要涉及了以下四步操作：第一步，鋁的溶解；第二步，氫氧化鋁沉淀的生成；第三步，硫酸鋁溶液的形成；第四步，硫酸鋁鉀溶液的形成。其反應(yīng)原理如下：

用砂紙將廢舊鋁質(zhì)易拉罐內(nèi)外表面均打磨光滑并剪成小片備用。稱取2.0g鋁片，置于250mL錐形瓶中，加入一定濃度和體積的強(qiáng)堿溶液，水浴加熱（設(shè)置水浴鍋溫度T=93℃），待反應(yīng)完全后（不再有氫氣生成），趁熱減壓抽濾，收集濾液于250mL燒杯中。將濾液重新置于水浴鍋中，用3mol/L的H2SO4調(diào)節(jié)濾液pH至8～9 [此時(shí)不溶性白色絮凝狀A(yù)l（OH）3沉淀不再產(chǎn)生]后，減壓抽濾得到Al（OH）3沉淀，此時(shí)洗滌沉淀pH至6～7，將沉淀轉(zhuǎn)移至250mL的燒杯中，邊加熱邊滴入一定濃度和體積的H2SO4溶液。待沉淀全部溶解后加入一定量的固體K2SO4，將得到的飽和澄清溶液冷卻降溫直至晶體全部析出（一般需要2～3天）。觀察晶型，減壓抽濾，盡量抽干，獲得產(chǎn)品明礬晶體[KAl（SO4）2·12H2O]。用電子天平稱量所得明礬晶體的產(chǎn)量[2]（僅討論產(chǎn)量而不計(jì)算產(chǎn)率是因?yàn)樗∫桌拶|(zhì)量相等且能完全反應(yīng)）。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧化鉀和氫氧化鈉兩種藥品的選用對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響

通過控制變量法，確定相同強(qiáng)堿溶液濃度（2 mol/L的NaOH、KOH），用3 mol/L 或9 mo/L H2SO4溶液來溶解Al（OH）3沉淀，進(jìn)行兩兩對(duì)照試驗(yàn)，通過對(duì)強(qiáng)堿藥品的選擇考察不同強(qiáng)堿對(duì)明礬產(chǎn)量與晶型的影響。

由表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)選用氫氧化鈉和氫氧化鉀兩種藥品對(duì)明礬產(chǎn)量并沒有明顯的影響，但是在此實(shí)驗(yàn)中晶體形狀的好壞也是判斷的主要依據(jù)。在使用3mol/L硫酸溶解Al（OH）3沉淀時(shí)，使用氫氧化鈉與氫氧化鉀兩種方法得到的晶型并無較大區(qū)別，都較為聚集地形成了立方體和菱形十二面體。加試一組濃度為9mol/L的硫酸，用氫氧化鉀制得的明礬晶型更偏向八面體、菱形十二面體與立方體的聚形，而氫氧化鈉制得的晶體形狀更接近小顆粒且較為零散（見圖2）。又通過對(duì)明礬化學(xué)式的分析，若選用氫氧化鈉就算洗滌沉淀后，晶體中也可能存在較多Na+，對(duì)明礬的產(chǎn)量和晶型都帶來不必要的影響。最終選擇藥品KOH。

2.2 不同濃度H2SO4溶液對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響

取c=2mol/L，V=80mL KOH溶液，仍用3mol/L的H2SO4調(diào)節(jié)濾液pH至8～9 [此時(shí)不溶性白色絮凝狀A(yù)l（OH）3沉淀不再產(chǎn)生]，通過改變?nèi)芙釧l（OH）3沉淀的硫酸濃度探究酸濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

由表2可以看出在一定條件下，明礬晶體的產(chǎn)量隨著硫酸濃度的增大而逐漸減小。

雖然H2SO4濃度為1.5mol/L時(shí)產(chǎn)量最高，但所形成的晶體以1/2黃豆球狀顆粒大小鋪滿燒杯底部，沒有聚集成立方體和菱形十二面體，比較零散。造成這一現(xiàn)象可能是加入的低濃度硫酸較多，使得硫酸鋁鉀溶液呈較弱飽和狀態(tài)[3]。再加上從節(jié)約資源的角度考慮，應(yīng)選擇c=3mol/L的硫酸更好。

2.3 不同濃度的KOH對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響

不同濃度的KOH對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響主要有兩個(gè)方面：一是影響鋁片溶解的速率，二是對(duì)最終形成晶體的影響[3]。取c=3mol/L H2SO4，80mL不同濃度KOH溶液，通過改變氫氧化鉀的濃度探究強(qiáng)堿濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在2.2中已經(jīng)討論當(dāng)c=3mol/L H2SO4，c=2mol/L KOH時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，所以再設(shè)置一組c=3mol/L H2SO4，c=2mol/L KOH但不過濾、洗滌沉淀，探究不過濾、洗滌沉淀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

由表3可以看出：當(dāng)溫度一定且過濾、洗滌沉淀時(shí)，氫氧化鉀的濃度越高，溶解廢鋁片所花費(fèi)的時(shí)間就越短，但總體相差還是不大；明礬晶體的產(chǎn)量隨著氫氧化鉀的濃度的增大先增大后減小，當(dāng)c=2mol/L KOH時(shí)，產(chǎn)量最高。

當(dāng)c=2mol/L左右的KOH時(shí)，反應(yīng)形成的晶體晶型都較其他三種濃度下形成的晶型好。因?yàn)樵赾=1.5mol/L、c=2.5mol/L、c=3mol/L時(shí)，所得晶體都呈各種不同的不規(guī)則面體狀且氫氧化鉀的濃度越大，形成的晶體形狀越不規(guī)則也越小，所以應(yīng)選擇c=2mol/L左右的KOH最好。

雖然KOH濃度都為2mol/L時(shí)，不過濾、洗滌沉淀組消耗的藥品試劑少，產(chǎn)量也高，可是晶型卻次于過濾洗滌沉淀組；除此之外不過濾、洗滌沉淀組得到的晶體產(chǎn)量高也可能是因?yàn)閹氲碾x子、雜質(zhì)更多造成的。為了嚴(yán)謹(jǐn)起見，還是采用c= 2mol/L KOH，c=3mol/L H2SO4并過濾、洗滌沉淀Al（OH）3為最好。

2.4 不同溫度條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

通過2.1、2.2、2.3的探究，取80mL c=2mol/L的KOH和c=3mol/L H2SO4，通過在常溫與酒精燈加熱兩種條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.4.1 常溫條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

在常溫下進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，鋁屑的溶解反應(yīng)速率較緩慢，待鋁屑完全溶解時(shí)所需時(shí)間約為87min。因?yàn)锳l（OH）3沉淀、K2SO4的溶解都與溫度有關(guān)，在溶解Al（OH）3沉淀時(shí)消耗的硫酸多，為了得到飽和的硫酸鋁鉀溶液從而導(dǎo)致需要的K2SO4量增多，最后能夠析出的晶體量少，晶型也不好。

2.4.2 酒精燈加熱條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

用酒精燈加熱溶解鋁屑時(shí)，反應(yīng)速率較快，約16min時(shí)能反應(yīng)完全。但是由于溫度不可控，反應(yīng)劇烈，溶液會(huì)從250mL錐形瓶中溢出，Al（OH）3沉淀和K2SO4的溶解都會(huì)因溫度給實(shí)驗(yàn)帶來一定影響。溶解鋁屑時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氣，若不能保證產(chǎn)生氫氣的濃度在4%～75%時(shí)，酒精燈加熱又會(huì)帶來安全隱患。

所以晶體的制備還是應(yīng)在水浴鍋里加熱進(jìn)行，不僅能控制反應(yīng)進(jìn)行速率和保證實(shí)驗(yàn)安全，還能節(jié)省時(shí)間、資源，減少不必要的實(shí)驗(yàn)誤差。

3 總結(jié)與存在的問題討論

以廢舊易拉罐為原料制備明礬晶體，通過控制變量法探討氫氧化鉀溶液濃度，硫酸溶液濃度、溫度等因素對(duì)明礬晶體產(chǎn)量及晶體形態(tài)等影響，尤其是氫氧化鉀濃度對(duì)產(chǎn)量及晶體形態(tài)影響最明顯。通過條件的逐一確定可得到制備明礬單晶較佳實(shí)驗(yàn)條件：溶解2g廢制易拉罐，需要體積為80mL的2mol/L氫氧化鉀溶液并水浴加熱進(jìn)行（設(shè)置水浴鍋溫度T=93℃）；溶解完全后通過減壓抽濾得到的濾液，需要體積約為42mL的3mol/L H2SO4調(diào)節(jié)pH至8～9，得到的白色絮狀物Al（OH）3沉淀在減壓抽濾時(shí)再調(diào)節(jié)pH至7左右；此時(shí)的Al（OH）3沉淀需滴加體積約為62mL 3mol/L H2SO4進(jìn)行溶解，待完全溶解后加入7g左右的K2SO4（g），得到較為飽和的KAl（SO4）2澄清溶液。從晶體圖片可以看出所得晶體屬于等軸晶系，有玻璃光澤，符合明礬晶體外形。

本實(shí)驗(yàn)中，明礬晶體的產(chǎn)量與晶型是判斷實(shí)驗(yàn)優(yōu)化條件的主要依據(jù)，而晶體的析出生長還與許多因素有關(guān)，如溶液的過飽和度、pH、環(huán)境相成分、溶劑和雜質(zhì)等內(nèi)在因素也會(huì)影響晶體的生長速度；渦流、溫度、雜質(zhì)、粘度、結(jié)晶速度等外部因素又會(huì)影響晶體的生長形態(tài)[4]。除了這些不可控的影響因素會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差，還包括選擇的廢舊鋁制易拉罐中Mg、Zn等雜質(zhì)含量；實(shí)驗(yàn)過程中每一次減壓抽濾、轉(zhuǎn)移都存在不同程度的損失；在溶解硫酸鉀得到硫酸鋁鉀溶液時(shí)，很難使每組實(shí)驗(yàn)的飽和度都達(dá)到一致，這樣可能會(huì)產(chǎn)生弱飽和、一般飽和與過飽和3種狀態(tài)，這種現(xiàn)象對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也是顯著的。

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