.z.--.--.考試資料.實驗報告課程名稱：無機化學實驗〔1〕實驗工程名稱：粗硫酸銅的提純及產(chǎn)品的純度檢驗和熱重分析學院：化學與化工學院專業(yè)：指導教師：報告人：**：班級：實驗時間：實驗報告提交時間：教務處制一、實驗目的〔1〕學習粗硫酸銅提純的原理和方法，掌握水浴加熱、常壓過濾、減壓過濾、蒸發(fā)濃縮結(jié)晶、重結(jié)晶等根本操作技能。〔2〕學習采用目視比色法檢驗產(chǎn)品中雜質(zhì)含量〔主要是鐵的含量〕，確定產(chǎn)品的純度等級?！?〕了解熱重分析的根本原理和同步熱分析儀的使用方法，學會通過分析熱重曲線圖推斷硫酸銅晶體受熱逐步脫去結(jié)晶水的過程，并探討結(jié)晶水在晶體內(nèi)部的不同結(jié)合方式。二、實驗原理1.粗硫酸銅提純的原理粗硫酸銅晶體中的主要雜質(zhì)是Fe3+、Fe2+以及一些可溶性的物質(zhì)如Na+等。Cu2+與Fe3+的別離可以利用溶度積的差異，因為氫氧化鐵的Kθsp=4×10–38，而氫氧化銅的Kθsp=2.2×10–20，當c(Fe3+)降到10–6mol?L－1時，pH=3.53而此時溶液中允許存在的Cu2+量為大大超過了CuSO4?5H2O的溶解度，所以Cu2+不會沉淀。從上述計算可以粗略看出，Cu2+與Fe3+是可以利用溶度積的差異，適當控制條件〔如pH等〕，到達別離的目的。由Cu(OH)2與Fe(OH)2的溶度積計算，Cu2+與Fe2+似乎也可以用分步沉淀法別離，但由于Cu2+是主體，F(xiàn)e2+是雜質(zhì)，這樣進展分步沉淀會產(chǎn)生共沉淀現(xiàn)象〔Cu(OH)2沉淀吸附、包裹少量Fe2+雜質(zhì)的現(xiàn)象〕，達不到別離目的。因此在本實驗中先將Fe2+在酸性介質(zhì)中用H2O2氧化成Fe3+：2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O然后采用控制pH在3.7～4.0沉淀Fe3+，到達Fe3+、Fe2+與Cu2+別離的目的。從氧化反響中可見，應用H2O2作氧化劑的優(yōu)點是不引入其它離子，多余的H2O2可利用熱分解去除而不影響后面別離。溶液中的可溶性雜質(zhì)可采用重結(jié)晶方法別離。根據(jù)物質(zhì)的溶解度不同，特別是CuSO4?5H2O晶體的溶解度隨溫度的降低而顯著減少，當熱的CuSO4飽和溶液冷卻時，CuSO4?5H2O先結(jié)晶析出，而少量易溶性雜質(zhì)由于尚未到達飽和，仍留在母液中，通過過濾，就能將易溶性雜質(zhì)別離。2.目視比色法檢驗產(chǎn)品的雜質(zhì)含量〔鐵的含量〕的原理目視比色法是確定雜質(zhì)含量的常用方法，在確定雜質(zhì)含量后便能定出產(chǎn)品的純度級別。將產(chǎn)品配成溶液，在比色管中參加顯色劑顯色、定容，與在同樣條件下顯色、定容的一系列不同濃度的標準溶液〔標準色階〕進展顏色比較〔方法是從管口垂直向下觀察〕，如果產(chǎn)品溶液的顏色比*一標準溶液的顏色淺，就可確定雜質(zhì)含量低于該標準溶液中的含量，即低于*一規(guī)定的限度，所以這種方法又稱為限量分析。由于本實驗的產(chǎn)品溶液Cu2+本身有顏色，干擾Fe3+的比色觀察，因此在比色檢驗前需要首先在產(chǎn)品溶液中參加過量的6mol?dm–1氨水，使微量的Fe3+雜質(zhì)沉淀、過濾別離出來，沉淀用熱的2mol?dm–1HCl溶解后收集到比色管中，參加25%KSCN溶液顯色〔生成[Fe(SCN)n]3–n血紅色絡合物，n=1～6〕、定容，然后與標準色階比較，從而確定產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量范圍。3.熱重分析的原理簡介熱分析技術(shù)是一類在程序溫度控制下，跟蹤物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關系的技術(shù)，可通過測量物質(zhì)在受熱或冷卻過程中物理性質(zhì)參數(shù)〔如質(zhì)量、反響熱、比熱、膨脹系數(shù)等〕隨溫度的變化情況，研究物質(zhì)的組分、狀態(tài)、構(gòu)造及其它物化性質(zhì)，評定材料的耐熱性能，探索材料的熱穩(wěn)定性與構(gòu)造的關系等。常用的熱分析方法有熱重分析法〔TG〕、差熱分析法〔DTA〕、差示掃描量熱法〔DSC〕等。熱重分析法〔Thermogravimetry，簡稱TG〕是在程序溫度控制下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關系的一種技術(shù)。由TG實驗獲得的曲線，稱為熱重曲線〔或TG曲線〕，它是以質(zhì)量為縱坐標〔由上到下質(zhì)量減少〕，以溫度〔或時間〕為橫坐標〔由左到右增加〕。由TG可以派生出微商熱重法〔DerivativeThermogravimetry，簡稱DTG〕，它是TG曲線對溫度〔或時間〕的一階導數(shù)。熱重分析法突出的特點是定量性強，能準確測定物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度的變化及變化速率。很多離子型的鹽類從水溶液中析出時，常含有一定量的結(jié)晶水，結(jié)晶水與鹽類結(jié)合得比較結(jié)實，但受熱到一定溫度時，可以脫去結(jié)晶水的一局部或全部。由于壓力、粒度、升溫速率不同，有時可以得到不同的脫水溫度及脫水過程。本實驗將利用同步〔綜合〕熱分析儀對提純實驗的產(chǎn)品進展熱重分析，同步〔綜合〕熱分析儀可同步提供TG、DTG、DSC的曲線圖譜，通過對這些曲線圖譜的綜合分析，推斷硫酸銅晶體受熱在不同溫度下逐步脫去結(jié)晶水的過程，并探討這些結(jié)晶水在晶體內(nèi)部的不同結(jié)合方式〔例如配位鍵、氫鍵等〕。三、儀器和藥品儀器：150mL燒杯1個，100mL燒杯2個，玻璃棒2根，量筒〔100mL、10mL〕、洗瓶、玻璃漏斗〔7.5cm〕、蒸發(fā)皿〔250mL〕、布氏漏斗〔8cm〕、抽濾瓶〔250mL〕、鐵架臺、鐵圈、石棉網(wǎng)各1個，比色管〔25mL〕、帶刻度吸量管〔5mL〕各一支電子天平、可調(diào)電爐、循環(huán)水式真空泵、同步熱分析儀〔STA409PC〕廣泛pH試紙、定性濾紙〔12.5cm、7cm〕藥品：2mol?L–1NaOH、1mol?L–1H2SO4、2mol?L–1HCl、6mol?L–1NH3?H2O、3%H2O2、25%KSCN、粗硫酸銅四、實驗步驟1．粗硫酸銅的提純〔1〕稱量和溶解稱取粗硫酸銅10g〔混入0.03g硫酸亞鐵、0.07g硫酸鐵〕，放入150mL干凈燒杯中，參加約40mL水，2mL1mol?L–1H2SO4，加熱、攪拌直至晶體完全溶解，停頓加熱?！?〕氧化和沉淀邊攪拌邊往溶液中慢慢滴加約2mL3%H2O2，加熱片刻〔假設無小氣泡產(chǎn)生，即可認為H2O2分解完全〕，然后邊攪拌邊滴加2mol?L–1NaOH溶液，直至溶液的pH≈3.7～4.0，再加熱片刻，讓Fe(OH)3加速凝聚，取下，靜置，待Fe(OH)3沉淀沉降?！?〕常壓過濾先將上層清液沿玻璃棒倒入貼好濾紙的漏斗中過濾，下面用蒸發(fā)皿承接。待清液濾完后再逐步倒入懸濁液過濾，過濾近完時，用少量蒸餾水洗滌燒杯，洗滌液也倒入漏斗中過濾。待全部濾完后，棄去濾渣。〔4〕蒸發(fā)濃縮和結(jié)晶將蒸發(fā)皿中的濾液用1mol?L–1H2SO4調(diào)至pH1～2后，加熱蒸發(fā)濃縮〔勿加熱過猛，注意攪拌以免液體飛濺而損失〕，濃縮過程中注意用藥匙刮下邊緣上過早析出的晶體。直至溶液外表剛出現(xiàn)薄層結(jié)晶〔晶膜〕時，立即停頓加熱，讓其自然冷卻到室溫〔勿要用水冷〕，慢慢地析出CuSO4?5H2O晶體?！?〕減壓過濾待蒸發(fā)皿底部用手摸感覺不到溫熱時，將晶體與母液轉(zhuǎn)入已放好濾紙的布氏漏斗中進展抽濾，用玻璃棒將晶體均勻地鋪滿濾紙，并輕輕地壓緊晶體，盡可能抽去晶體間夾帶的母液。停頓抽濾，取出晶體，攤在濾紙上，再覆蓋一張濾紙，用手指輕輕擠壓，吸干其中的剩余母液。最后將吸干的晶體稱重?！?〕重結(jié)晶上述產(chǎn)品放于100mL燒杯中，按每克產(chǎn)品加3mL蒸餾水的比例參加蒸餾水。加熱，使產(chǎn)品全部溶解。趁熱常壓過濾，用蒸發(fā)皿承接濾液。濾液冷至室溫，待其慢慢地析出CuSO4?5H2O晶體〔假設不析出晶體，可稍微小火加熱蒸發(fā)濃縮濾液，直至溶液外表剛出現(xiàn)薄層結(jié)晶〔晶膜〕時，立即停頓加熱，讓其自然冷卻到室溫〕。減壓過濾抽干，取出晶體，攤在濾紙上，用另一張濾紙輕輕擠壓吸干其中的剩余母液，稱重。2.產(chǎn)品中雜質(zhì)含量〔鐵含量〕的檢驗〔目視比色法〕稱取1.0g提純后的產(chǎn)品于100mL燒杯中，用10mL水溶解，參加1mL1mol?L–1H2SO4、1mL3%H2O2，加熱，使Fe2+完全氧化成Fe3+，繼續(xù)加熱煮沸，使剩余的H2O2完全分解。取下溶液冷卻后，逐滴參加6mol?L–1氨水，先生成淺藍色的沉淀，繼續(xù)滴入6mol?L–1氨水，攪拌直至沉淀完全溶解，呈深藍色透明溶液。常壓過濾，并用6mol?L–1氨水洗滌沉淀和濾紙至無藍色，棄去濾液，濾紙上的沉淀用滴管滴入3mL熱的2mol?L–1HCl溶解，用25mL比色管承接。然后用吸量管移取2.00mL25%KSCN溶液至比色管中，用水稀至刻度，搖勻，與標準色階比較，確定產(chǎn)品的純度等級。附：系列標準溶液〔標準色階〕的配制：〔教師已預先配好〕稱1.000g純Fe粉，用40mL1:1HCl溶解，溶完后，滴加10%H2O2，直至Fe2+完全氧化成Fe3+，過量的H2O2加熱分解除去，冷卻后，移入1000mL容量瓶中，以水稀至刻度，搖勻。此液為1.00mgFe3+/mL。移取此液5.00mL于500mL容量瓶中，參加2mL1:1HCl，以水稀至刻度，搖勻。此液為0.010mgFe3+/mL。標準色階配制〔要求現(xiàn)用現(xiàn)配〕：移取0.010mgFe3+/mL標準溶液1.00mL、3.00mL、6.00mL，分別置于三支25mL比色管〔分別標號①、②、③〕中，參加3mL2mol?L–1HCl，并用吸量管移取2.00mL25%KSCN溶液至比色管中，用水稀至刻度，搖勻。附表1：標準色階中各比色管的Fe3+濃度比色管標號①號②號③號移取0.010mg/mLFe3+標準溶液的體積〔mL〕1.003.006.00相對應的Fe3+濃度〔mg/mL〕0.010×(1/25)0.010×(3/25)0.010×(6/25)附表2：產(chǎn)品純度檢驗的判斷標準目視比色產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量產(chǎn)品的純度等級顏色比①號淺〔含一樣〕≤10ppm一級顏色比②號淺〔含一樣〕≤30ppm二級顏色比③號淺〔含一樣〕≤60ppm三級顏色比③號深＞60ppm四級3.產(chǎn)品的熱重分析取少量提純后的產(chǎn)品，放入同步熱分析儀進展熱重分析，升溫速率10℃/min。打印TG曲線圖。五、實驗記錄和結(jié)果1.粗硫酸銅的提純產(chǎn)品外觀〔顏色、狀態(tài)〕：產(chǎn)量：重結(jié)晶前：重結(jié)晶后：回收率：重結(jié)晶前：重結(jié)晶后：2.產(chǎn)品的純度檢驗產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量：經(jīng)目視比色，產(chǎn)品溶液的顏色比標準色階中標號淺〔含一樣〕而標號相當于鐵含量為：=ppm∴產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵的含量≦產(chǎn)品的純度等級：3.產(chǎn)品的熱重分析附熱重曲線圖：熱重曲線圖分析：1.理論上假設硫酸銅晶體中5個結(jié)晶水完全失去，總失重率為多少？2.由樣品的熱重曲線圖可推斷，樣品失重分為幾個階段進展？每段失重率是多少？總失重率是多少？與理論值相比，可推斷樣品失重是由什么原因引起的？3.每段失重對應的溫度范圍是多少？焓變分別是多少？是放熱還是吸熱過程？4.每段失重相當于失去幾個結(jié)晶水？寫出推算過程。5.用反響簡式表示樣品的失重過程。6.〔附加題〕假設你對硫酸銅晶體的空間構(gòu)造有了解，初步判斷在每段失重中所脫去的結(jié)晶水對應的空間位置，并解釋硫酸銅晶體逐步脫去結(jié)晶水的原因。六、結(jié)果分析和問題討論1.在參加H2O2氧化Fe2+時，為什么要邊攪拌邊慢慢滴加？假設Fe2+氧化不完全，對實驗有何影響？2.在除硫酸銅溶液中的Fe3+時，為什么要調(diào)節(jié)pH≈3.7～4.0？pH值太大