五水硫酸铜的制备、提纯和纯度检验

 

1.实验目的

（1）学习由粗氧化铜为原料制备五水硫酸铜的原理和方法。

（2）巩固加热、溶解、过滤、蒸发、结晶、减压过滤、重结晶等无机化合物制备的基本操作。

（3）学习用化学法提纯硫酸铜的原理及方法。

（4）学习目视比色法的测定原理、方法。

 

2.实验药品和仪器

（1） 主要仪器：电子天平、烧杯、布氏漏斗、吸滤瓶、蒸发皿、量筒、比色皿、漏斗、比色管（25mL）

（2） 实验药品：粗CuO (s)、H₂SO₄（1mol·L^-1，6mol·L^-1）、NH₃·H₂O（2mol·L^-1，6mol·L^-1）、H₂O₂（3％）、H Cl（2mol·L^-1）、KSCN（1mol·L^-1）、Fe³⁺的标准溶液、pH试纸、滤纸

 

 

3.实验原理

   CuSO₄·5H₂O俗名胆矾或蓝矾，蓝色晶体，易溶于水，难溶于乙醇。在干燥空气中CuSO₄·5H₂O可缓慢风化，在不同温度下会逐步脱水，将其加热至260℃以上，可失去全部结晶水而成为白色的无水CuSO₄粉末。

   本实验通过粗CuO粉末和稀H₂SO₄按如下的反应制备硫酸铜：

             CuO + H₂SO₄ ═ CuSO₄ + H₂O

   所得粗品中含有杂质，主要包括少量不溶性杂质和可溶性杂质FeSO₄、Fe₂(SO₄)₃等。不溶性杂质可在溶解、过滤的过程中除去。相对于Fe³⁺，由于Fe²⁺完全沉淀所需的pH较高（见下表），为防止在较高pH条件下Cu²⁺沉淀而影响硫酸铜的产量，实验过程中用氧化剂，如H₂O₂或Br₂等，将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，然后通过调节溶液pH，使Fe³⁺水解生成Fe(OH)₃沉淀，再过滤除去，反应如下

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ ═ 2Fe³⁺ + 2H₂O  

Fe³⁺ + 3H₂O ═ Fe(OH)₃↓+3H⁺

 

表一：Fe³⁺，Fe²⁺和Cu²⁺开始沉淀和完全沉淀所需的pH。

 

离子	开始沉淀时的pH值	沉淀完全时的pH值
Fe3+	1.9	4.1
Fe2+	7.0	9.7
Cu2+	4.7	6.7

由于温度变化对CuSO₄的溶解度影响较大，所以可以通过将除去铁离子后的滤液蒸发、浓缩至出现晶膜，冷却、过滤除去其他微量可溶性杂质，即可获得较纯净的CuSO₄·5H₂O晶体。

通过检测精制CuSO₄·5H₂O中铁离子的含量来确定CuSO₄的纯度。利用目视比色法确定CuSO_4·5H₂O的等级。

   Fe³⁺ + 3NH₃·H₂O ═ Fe(OH)₃↓+ 3NH₄⁺ 

   2Cu²⁺ +SO₄^2- + 2NH₃·H₂O ═ Cu₂(OH)₂SO₄↓+ 2NH₄⁺

   Cu₂(OH)₂SO₄ + 2NH₄⁺ + 6NH₃·H₂O ═ 2[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 8H₂O + SO₄^2-

   Fe³⁺ + n SCN^- ═ [Fe(SCN)_n]^3-n（n=1~6）

                （血红色）

4．实验步骤

（1）五水硫酸铜的制备和提纯

称取2.0g粗CuO置于100mL的小烧杯中，加10mL 6mol·L^-1H₂SO₄，用小火加热，边加热边搅拌，待反应完全后，若发现溶液蒸发变少了，有少量蓝色晶体析出，可适当补充少量蒸馏水。趁热减压抽滤，将滤液转入蒸发皿中。搅拌滴加2mL3％H₂O₂，继续搅拌加热3~5min后，逐滴加入2mol·L^-1 NH₃·H₂O至溶液的pH 3.5~4.0（用精密的pH试纸测定）。继续加热数分钟，待过量的H₂O₂完全分解后，趁热抽滤，将滤液转入干净的蒸发皿中，用1mol·L^-1H₂SO₄调节溶液的pH至1~2，然后加热、蒸发浓缩至溶液表面出现晶膜，冷却结晶、抽滤、即得纯的CuSO₄·5H₂O晶体，称重。观察晶体的形状、颜色并计算产率。（注意：产品可保存作为碱式碳酸铜实验用原料，需要5.0g的CuO为原料制备CuSO₄才够。）

（2）五水硫酸铜的纯度检验

    称取1.0g精制的硫酸铜晶体置于小烧杯中，加入10mL蒸馏水加热溶解，待溶液冷却至约40℃时，加入1mL1mol·L^-1H₂SO₄, 然后向其中滴加2mL3％H₂O₂，充分搅拌后，煮沸除去过量的H₂O₂，待溶液冷却后，在搅拌下逐滴加入6mol·L^-1 NH₃·H₂O，直至最初生成的浅蓝色沉淀刚好消失。常压过滤，并用6mol·L^-1NH₃·H₂O（或蒸馏水）洗涤滤纸，直至蓝色完全洗去，弃去滤液。接着用2mol·L^-1HCl洗涤滤纸，纸质滤纸上的黄色沉淀完全洗去（约3mLHCl），用一只干净的烧杯接洗涤液，并将洗涤液转移到25mL比色管中，向比色管中滴加1mol·L^-1KSCN 2滴，然后用蒸馏水稀释至比色管刻度线，摇匀，得到溶液与Fe³⁺标准溶液进行目示比色法，确定产品等级。

Fe³⁺标准溶液的配制：分别量取0.01mg·mL^-1的Fe³⁺溶液0.50mL、1.00mL、2.00mL置于三个25mL比色管中，并向其中各加入1.0mL3mol·L^-1H₂SO₄和2滴1mol·L^-1KSCN，最后用蒸馏水稀释至刻度，配成如下表2所示不同等级的Fe³⁺标准溶液。

表2 不同等级的Fe³⁺标准溶液

 

规格	Ⅰ级	Ⅱ级	Ⅲ级
Fe3+含量/（mg·mL-1）	0.05	0.2	0.5

 

五、思考题

（1）五水硫酸铜提纯实验中为什么要将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，而且要将溶液的pH调节为4左右？

（2）与其他氧化剂相比，采用H₂O₂作为氧化剂有什么优点？

（3）为何要将除去Fe³⁺后的滤液的pH调节至1~2，再进行蒸发浓缩？

 

六、参考书

[1] 包新华, 邢彦军，李向清，无机化学实验，北京：科学出版社，2013.3

1.实验目的

（1）学习由粗氧化铜为原料制备五水硫酸铜的原理和方法。

（2）巩固加热、溶解、过滤、蒸发、结晶、减压过滤、重结晶等无机化合物制备的基本操作。

（3）学习用化学法提纯硫酸铜的原理及方法。

（4）学习目视比色法的测定原理、方法。

 

2.实验药品和仪器

（1） 主要仪器：电子天平、烧杯、布氏漏斗、吸滤瓶、蒸发皿、量筒、比色皿、漏斗、比色管（25mL）

（2） 实验药品：粗CuO (s)、H₂SO₄（1mol·L^-1，6mol·L^-1）、NH₃·H₂O（2mol·L^-1，6mol·L^-1）、H₂O₂（3％）、H Cl（2mol·L^-1）、KSCN（1mol·L^-1）、Fe³⁺的标准溶液、pH试纸、滤纸

 

 

3.实验原理

   CuSO₄·5H₂O俗名胆矾或蓝矾，蓝色晶体，易溶于水，难溶于乙醇。在干燥空气中CuSO₄·5H₂O可缓慢风化，在不同温度下会逐步脱水，将其加热至260℃以上，可失去全部结晶水而成为白色的无水CuSO₄粉末。

   本实验通过粗CuO粉末和稀H₂SO₄按如下的反应制备硫酸铜：

             CuO + H₂SO₄ ═ CuSO₄ + H₂O

   所得粗品中含有杂质，主要包括少量不溶性杂质和可溶性杂质FeSO₄、Fe₂(SO₄)₃等。不溶性杂质可在溶解、过滤的过程中除去。相对于Fe³⁺，由于Fe²⁺完全沉淀所需的pH较高（见下表），为防止在较高pH条件下Cu²⁺沉淀而影响硫酸铜的产量，实验过程中用氧化剂，如H₂O₂或Br₂等，将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，然后通过调节溶液pH，使Fe³⁺水解生成Fe(OH)₃沉淀，再过滤除去，反应如下

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ ═ 2Fe³⁺ + 2H₂O  

Fe³⁺ + 3H₂O ═ Fe(OH)₃↓+3H⁺

 

表一：Fe³⁺，Fe²⁺和Cu²⁺开始沉淀和完全沉淀所需的pH。

离子	开始沉淀时的pH值	沉淀完全时的pH值
Fe3+	1.9	4.1
Fe2+	7.0	9.7
Cu2+	4.7	6.7

由于温度变化对CuSO₄的溶解度影响较大，所以可以通过将除去铁离子后的滤液蒸发、浓缩至出现晶膜，冷却、过滤除去其他微量可溶性杂质，即可获得较纯净的CuSO₄·5H₂O晶体。

通过检测精制CuSO₄·5H₂O中铁离子的含量来确定CuSO₄的纯度。利用目视比色法确定CuSO_4·5H₂O的等级。

   Fe³⁺ + 3NH₃·H₂O ═ Fe(OH)₃↓+ 3NH₄⁺ 

   2Cu²⁺ +SO₄^2- + 2NH₃·H₂O ═ Cu₂(OH)₂SO₄↓+ 2NH₄⁺

   Cu₂(OH)₂SO₄ + 2NH₄⁺ + 6NH₃·H₂O ═ 2[Cu(NH₃)₄]²⁺ + 8H₂O + SO₄^2-

   Fe³⁺ + n SCN^- ═ [Fe(SCN)_n]^3-n（n=1~6）

                （血红色）

4．实验步骤

（1）五水硫酸铜的制备和提纯

称取2.0g粗CuO置于100mL的小烧杯中，加10mL 6mol·L^-1H₂SO₄，用小火加热，边加热边搅拌，待反应完全后，若发现溶液蒸发变少了，有少量蓝色晶体析出，可适当补充少量蒸馏水。趁热减压抽滤，将滤液转入蒸发皿中。搅拌滴加2mL3％H₂O₂，继续搅拌加热3~5min后，逐滴加入2mol·L^-1 NH₃·H₂O至溶液的pH 3.5~4.0（用精密的pH试纸测定）。继续加热数分钟，待过量的H₂O₂完全分解后，趁热抽滤，将滤液转入干净的蒸发皿中，用1mol·L^-1H₂SO₄调节溶液的pH至1~2，然后加热、蒸发浓缩至溶液表面出现晶膜，冷却结晶、抽滤、即得纯的CuSO₄·5H₂O晶体，称重。观察晶体的形状、颜色并计算产率。（注意：产品可保存作为碱式碳酸铜实验用原料，需要5.0g的CuO为原料制备CuSO₄才够。）

（2）五水硫酸铜的纯度检验

    称取1.0g精制的硫酸铜晶体置于小烧杯中，加入10mL蒸馏水加热溶解，待溶液冷却至约40℃时，加入1mL1mol·L^-1H₂SO₄, 然后向其中滴加2mL3％H₂O₂，充分搅拌后，煮沸除去过量的H₂O₂，待溶液冷却后，在搅拌下逐滴加入6mol·L^-1 NH₃·H₂O，直至最初生成的浅蓝色沉淀刚好消失。常压过滤，并用6mol·L^-1NH₃·H₂O（或蒸馏水）洗涤滤纸，直至蓝色完全洗去，弃去滤液。接着用2mol·L^-1HCl洗涤滤纸，纸质滤纸上的黄色沉淀完全洗去（约3mLHCl），用一只干净的烧杯接洗涤液，并将洗涤液转移到25mL比色管中，向比色管中滴加1mol·L^-1KSCN 2滴，然后用蒸馏水稀释至比色管刻度线，摇匀，得到溶液与Fe³⁺标准溶液进行目示比色法，确定产品等级。

Fe³⁺标准溶液的配制：分别量取0.01mg·mL^-1的Fe³⁺溶液0.50mL、1.00mL、2.00mL置于三个25mL比色管中，并向其中各加入1.0mL3mol·L^-1H₂SO₄和2滴1mol·L^-1KSCN，最后用蒸馏水稀释至刻度，配成如下表2所示不同等级的Fe³⁺标准溶液。

表2 不同等级的Fe³⁺标准溶液

规格	Ⅰ级	Ⅱ级	Ⅲ级
Fe3+含量/（mg·mL-1）	0.05	0.2	0.5

 

五、思考题

（1）五水硫酸铜提纯实验中为什么要将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，而且要将溶液的pH调节为4左右？

（2）与其他氧化剂相比，采用H₂O₂作为氧化剂有什么优点？

（3）为何要将除去Fe³⁺后的滤液的pH调节至1~2，再进行蒸发浓缩？

 

六、参考书

[1] 包新华, 邢彦军，李向清，无机化学实验，北京：科学出版社，2013.3