測定膽礬結晶水實驗的改進與評估

張 曄，李曉萌

（赤峰學院 化學化工學院，內蒙古 赤峰 024000）

測定膽礬結晶水實驗的改進與評估

張 曄，李曉萌

（赤峰學院 化學化工學院，內蒙古 赤峰 024000）

膽礬結晶水的測定在大學本科無機化學實驗中屬于基礎實驗，通常采用沙浴進行加熱.學生在做實驗的過程中，由于經常出現故障，所以成功率偏低，而且耗時長.目前馬弗爐已經成為實驗室中常用的儀器，本論文選擇用馬弗爐進行加熱.并對兩種方法從恒重時間及資源等方面進行比較，確定了馬弗爐設定值290℃為最佳脫水溫度，對于空坩堝的最短恒重時間為16min，對于水合硫酸銅的脫水恒重時間為30min，馬弗爐整個實驗過程比沙浴加熱節約時間和資源.

膽礬；沙浴；馬弗爐

1 引言

五水合硫酸銅是一種藍色的硫酸銅晶體，俗稱膽礬.化學式為：CuSO4·5H2O.[1]

膽礬結晶水的測定實驗室通常采用加熱失重法，用沙浴進行加熱.[2]

該方法的具體做法是：先對坩堝進行加熱恒重.然后稱取1g左右的膽礬放在已經經過加熱恒重的坩堝中，經過沙浴持續加熱，使膽礬全部進行脫水.隨后，根據重量差來計算膽礬中所含有的結晶水的數目.

沙浴加熱的缺點是實驗消耗的時間較長，并且經常由于操作不慎，掉入沙粒，導致成功率偏低.所以我們將沙浴恒重法改為馬弗爐恒重法.主要從實驗耗時和資源方面做了對比，探索減少實驗時間、提高實驗成功率、降低資源消耗的較好方法.

2 實驗部分

2.1 實驗原料及儀器設備

實驗中所用膽礬為：天津市恒興化學試劑制造有限公司生產的分析純（AR）.

實驗中所用的主要儀器有：上海一恒科技有限公司生產的SX2-4-13馬弗爐；北京賽多利斯儀器系統有限公司生產的，京制00000249號電子天平.

2.2 實驗原理[2][3]

膽礬的脫水反應是分步進行的，主要有以下三個步驟：

第一步是在48℃的溫度下，五水合硫酸銅晶體失去兩個H2O分子，轉變成三水合硫酸銅晶體（CuSO4·3H2O）.第二步是在 99℃的溫度下，三水合硫酸銅晶體（CuSO4·3H2O）失去三個配位水中的另外兩個，得到一水合硫酸銅晶體（CuSO4·H2O）.第三步是一水合硫酸銅晶體（CuSO4·H2O）失去五水合硫酸銅晶體中的最后一個結晶水，最終轉變為無水硫酸銅（CuSO4）.

三個過程的具體反應式如下圖所示：

反應式（1）

實驗數據計算過程：

（1）CuSO4·5H2O 的質量 m1=（空坩堝 + 五水硫酸銅的質量）-空坩堝的質量

（2）無水硫酸銅的質量m2=（加熱后坩堝+無水硫酸銅質量）-空坩堝的質量

（3）CuSO4的物質的量n1=m2/159.6g/mol

（4）結晶水的質量m3=m1-m2

（5）結晶水的物質的量n2=m3/18.0g/mol

（6）每物質的量的CuSO4含結晶水的物質的量=n2/n1

2.3 沙浴恒重法

2.3.1 坩堝恒重

首先，將坩堝及蓋子用蒸餾水洗干凈.然后將其放在泥三角上在酒精噴燈上進行小火烘干，再用氧化焰灼燒至紅熱.拿坩堝鉗取下坩堝，將其放到石棉網上冷卻.冷卻到稍稍高于室溫的時候，轉移到干燥器中冷卻.冷卻到室溫后，將坩堝取出，在已經預熱的電子天平上進行稱量.重復以上各步，使空坩堝的兩次稱量的重量差達到小于等于1mg的要求，視為達到恒重，如果不恒重應該繼續加熱.記錄空坩堝達到恒重的兩次數據.

2.3.2 膽礬脫水

首先，稱取膽礬1.0～1.2g，將其放到研缽中進行充分研磨，將研細的膽礬粉末轉移到恒重的坩堝中，鋪成均勻的一層.之后準確稱量坩堝和膽礬的總質量.

將上述已經稱量的、盛有膽礬粉末的坩堝放入沙浴盤中，然后將坩堝的3/4體積埋入沙子中.插入一支300℃的溫度計，要求溫度計的底部和坩堝底部所處高度大致相同.將酒精噴燈充分預熱，然后進行沙浴加熱.先將溫度上升到210℃，繼續加熱使溫度達到260℃，之后控制溫度不得超過280℃.在升溫過程中不斷觀察膽礬粉末的變化，大約在15～20min之間會看到藍色粉末完全變為白色粉末.停止加熱后再用坩堝鉗夾住坩堝上部的1/4處，慢慢向上取出坩堝，將外壁用脫脂棉擦干凈.然后在石棉網上冷卻至略高于室溫，再放到干燥器中冷卻，冷卻到室溫以后用電子天平進行稱量.稱量的結果就是坩堝和無水硫酸銅的總質量.重復上面的步驟，使膽礬達到脫水恒重（兩次稱量的重量差不超過1mg即視為恒重）.記錄數據并將實驗得到的白色硫酸銅粉末回收.

2.4 馬弗爐恒重法

馬弗爐恒重法，就是將加熱方式由傳統的沙浴加熱改為馬弗爐加熱，其他過程和沙浴加熱一樣.我們實驗的范圍是馬弗爐的溫度設在280℃～350℃之間.加熱時間在10～25min之間.

3 結果與討論

3.1 馬弗爐恒重溫度的確定

根據沙浴加熱法中五水合硫酸銅的脫水溫度，將馬弗爐的溫度設置為270℃（不得高于280℃），多次進行脫水恒重，水合硫酸銅粉末始終為淡藍色.實驗多次失敗，經過分析得知：馬弗爐設定溫度和加熱部分的實際值存在溫度差.為此，我們在進行脫水實驗的同時，考察了設定值和實際值的溫度差.將蒸發皿中放滿沙子，在設定的溫度內恒溫約6分鐘，然后迅速插入溫度計，測量蒸發皿中沙子的溫度.結果如表1.

表1 馬弗爐設定溫度和實際溫度的對比

由表1可知，馬弗爐的設定溫度和實際值確實存在溫度差，相差約50～60℃.另外，從表中可以得出：馬弗爐設置溫度為290℃時，實際溫度是245℃，恒重時間是35min，縮短了15min.設置溫度為330℃，實際溫度是272℃，恒重時間是30min，縮短了20min.雖然隨著溫度的升高，脫水時間縮短了，但是考慮到溫度從280℃上升到330℃也需要一定的時間.所以最低恒重溫度也是最佳恒重溫度選擇290℃.在設定溫度為340℃時，脫水時間為26min，節省了24min.雖然達到了恒重，但是實際溫度已經超過了280℃.由此可知，馬弗爐的設定加熱溫度應該在290℃，不能超過330℃.

3.2 恒重時間的對比

在實驗過程中，沙浴法恒重中應用的儀器是酒精噴燈.它的加熱溫度一般為800～1000℃，不容易在某一個時間段控制為某一恒定溫度，溫度過高導致了坩堝過熱、冷卻時間長.另外，每次預熱時間至少5min，使整個實驗時間較長.為此我們對馬弗爐和沙浴加熱的最短恒重時間做了探索.馬弗爐設置290℃.首先探索了坩堝恒重的時間.結果如表2所示.

由表2中的數據可知，馬弗爐在兩次加熱分別8min時，坩堝達到恒重，兩次的重量差是0.0004g.即馬弗爐的最短恒重時間為16min.算上馬弗爐的升溫時間，從開始到坩堝恒重共需要大約30分鐘.沙浴在兩次加熱分別為10min時，達到恒重，兩次的重量差是0.0001g.即沙浴的最短恒重時間為20min，加上兩次酒精噴燈預熱的時間10min，共用時30min.在坩堝恒重這個過程，兩種加熱方法消耗時間差別不大.

表2 用沙浴和馬弗爐加熱時間與重量差的關系

表3 沙浴和馬弗爐使膽礬脫水的最短時間

我們進一步對脫水時間進行探索.

由表3可知，馬弗爐在290℃時（實際溫度為245℃），膽礬脫水的最短時間為30min.而沙浴在280℃時，包括酒精噴燈的預熱時間，其最短脫水時間為60min，馬弗爐比沙浴節約了30min.為整個實驗節約了時間.

除了對消耗時間做了探討以外，我們還對資源的消耗做了對比.

從實驗中得出：坩堝馬弗爐加熱最佳脫水溫度為290℃，坩堝恒重時間為16min，膽礬脫水至恒重需30min，再加上升溫到290℃的時間，約需要1h.從馬弗爐的說明書中得出1h需要電量4千瓦.所以馬弗爐消耗了4度電.每度電為五角錢.馬弗爐中一次可以同時放入6個坩堝，也就是說，六組實驗共花費2.0元錢.

而沙浴加熱恒重每個沙盤最好做一組實驗.一次實驗共消耗酒精約240mL.六組實驗所消耗的酒精總量為1440mL.實驗室所用的酒精每桶30元，容量為2500mL，六組實驗共花費約17元錢.

從資源上看，節約了馬弗爐加熱節約了15元錢.

綜上所述，與沙浴恒重相比，馬弗爐恒重法具有縮短實驗時間，節約資源的優點.由于實驗過程不接觸沙子，避免了沙粒落入的可能.

〔1〕無機化學[M].北京：高等教育出版社，2010.658-659.

〔2〕陳動.五水硫酸銅結晶水的熱失重分析[J].遼寧化工,2014,43(12):1472-2774.

〔3〕無機化學實驗[M].北京：高等教育出版社，2001.65-67.

G633.8

A

1673-260X（2017）12-0020-03

2017-09-04