制备硫酸铜晶体的实验探索，本文主要内容关键词为：硫酸铜论文,晶体论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中职教材中的《粗硫酸铜的提纯》实验，多届学生在同样的实验操作条件下，得到的产品收率和外观却总是千差万别。对此学生常会提出各种各样的问题。为了解析这些疑问，我根据“结晶原理”，对实验中涉及的几个重要操作条件进行了正交实验分析，较好地解决了实验问题。
1.结晶原理
结晶与溶质在溶剂中的溶解度和结晶过程中的操作方式等有关，溶液的过饱和度是结晶的主动力。硫酸铜晶体属三斜晶系，要获得颗粒较大的理想晶体，需要严格控制溶液的过饱和度，溶液蒸发或冷却的速度，晶种的数量，溶液的pH值，共存的杂质及其它相关条件等。
用化学法提纯粗硫酸铜，涉及到氧化、沉淀、结晶、过滤、洗涤，目的是去除铁离子和一些微量的不溶性或可溶性杂质。其操作步骤为：
本实验主要考查粗硫酸铜氧化、过滤后滤液的结晶过程。
2.设计正交试验方案
2.1 确定实验因子
衡量本实验成败的主要指标是产品收率和质量。就人为因素影响实验结果的操作，如洗涤、酸化、蒸发等和其他的相关操作条件进行研究，今选取六个因素进行三级水平试验，具体“因子”列于正交表（见下页表1）中。选用
正交表进行试验。
2.2 实验仪器和试剂
三角架、酒精灯、石棉网、瓷蒸发皿；100℃恒温水浴装置一套，布氏漏斗、真空抽滤装置；浓
2.3 正交设计表及数据处理
“综合评分”说明：用综合平衡法进行结果分析，由于收率是一个重要指标，“权重”设为60％，若收率为53.3％，其得分为53.3×60％=32.0；产品质量指标仅限于“晶型”，“权重”设为40％，人为设定大、中、小三个档次，分别评分80、50、30，若“晶型”为“大”，则该项得分为80×40％=32。
例：“综合评分1”=53.3×60％+50×40％=52.0，其余类推。
2.4 实验结论
根据正交设计表进行直观地分析，已做实验中的较好方案为2号试验，位级组合是A[，2]B[，1]C[，1]D[，2]E[，1]F[，1]（即滤液70mL、2mL浓硫酸酸化、旺火加热、母液V[，2]20mL、加硫酸铜晶种、自然冷却）。而最优水平的组合是A[，2]B[，1]C[，1]D[，2]E[，1]F[，3]（即滤液70mL、2mL浓硫酸酸化、旺火加热、母液V[，2]20mL、加硫酸铜晶种、水浴冷却）。影响本实验结果的
注：“B1”用2mL浓硫酸调节；“C1”a为旺火加热；“C2”b为慢火加热；“*”指晶体颜色浅且疏松
3.结果分析
3.1 滤液
硫酸铜溶液经过氧化、沉淀、过滤、洗涤等操作，滤液的体积或多或少。滤液体积过多的原因：可能是洗涤用水过多，也可能是因为沉淀时加热不充分，后者会引起Fe[3+]水解不完全，影响产品的纯度。滤液体积过少，刚好与上述操作相反，结果是过滤时就会有少量硫酸铜析出而进入滤渣，导致产品收率降低。
根据正交实验分析，滤液体积对实验结果影响明显，应仔细操作，严加控制，适宜体积是70mL。
3.2 酸化
pH值是一个非常重要的操作条件。实验结果表明，酸性强（即pH＜1），收率高、晶体大，但是晶体颜色浅，且晶体很疏松，易破碎，可能原因是浓硫酸具有吸水性，使硫酸铜晶体的结晶水含量降低。酸性弱（即pH≥4），晶型好，但收率低，杂质多，主要原因是
水解生成了碱式硫酸铜沉淀。
因此，为防止水解，并制得较大的硫酸铜晶体，应用稀硫酸对溶液进行酸化，实验结果表明溶液的pH=2最理想。
3.3 蒸发
①加热对晶体纯度的影响
由于要水解，溶液中必定会产生少量的
沉淀。而水解过程是一个吸热的可逆反应，加热有利于的水解。当用蒸发结晶时，肯定会生成更多的沉淀。如果加热温度过高（在煮沸条件下），溶液中还会有棕色的过氧化铜沉淀或红色的氧化铜沉淀生成。
②加热对晶体大小的影响
用水浴加热，由于水体流动造成蒸发皿晃动，少量液体就残留在器壁上形成细晶，进入溶液后作晶核，致使得到的晶体都较小。用慢火或旺火加热对实验结果没有较大区别，但不能使溶液出现沸腾。
如果实验时间允许，建议先用“旺火”加热，待液体剩30mL～40mL时，改用“慢火”加热。
3.4 母液V[，2]
通常情况下，加热蒸发何时结束，主要观察母液中是否出现“晶膜”，但事实上，一旦有“晶膜”出现，得到的晶体总是很细小的。因为这时溶液的过饱和度已经很大，液体的粘度就很高，晶核的形成速率很快，晶核过多，粒径变小。因此，若要得到较大的晶体，应严格控制母液的过饱和度。
溶液的过饱和度常用折射率法或比重法监测。由于实验条件有限，不能进行实时测量，采用目测母液的体积来确定蒸发的结束时间。结果表明，蒸发母液的体积应为20mL左右。
3.5 晶种
本实验选用硫酸铜细晶、毛细管、铜丝作晶种，结果表明，选用硫酸铜细晶作晶种较理想。
根据结晶原理，晶体的生长是溶质在晶核表面不断堆积的结果，对澄清的过饱和溶液，在介稳区内是不会产生晶核的，必须靠外界加入的晶种，才能使溶液中的溶质生长到晶种的表面上，而溶液中的固体杂质、微粒、尘埃、容器界面的粗糙度、容器的震动等都会诱发成核。如果晶核“泛滥”，就无法形成大晶体。由于毛细管和铜丝的表面积较大，即晶核较多；加上毛细管和铜丝上生长的晶体，因相互堆积、相互挤压，致使晶体无法成长。相反，少量的硫酸铜细晶在溶液中分散性较好，容易形成大晶体。
3.6 冷却
理论上，当溶液的过饱和度一定时，冷却温度直接影响晶体的生长。因为晶体生长的速率取决于溶液的扩散系数，当温度较高时，溶剂的粘度降低，扩散系数增大，相应地晶体的增长速率也增大，所以，在溶液的过饱和度一定时，较高的温度有利于晶体的生长。因此，在析晶前要进行缓慢降温，并严格控制终点温度的恒定。
在实际操作中，由于学生更多地希望能用冷水进行冷却，我对“冷却”方式进行了二水平试验—1次自然冷却和2次冷水冷却。实验结果表明“冷水冷却”得到的晶体“晶型”较好（注：这与理论不符，还有待于进一步验证）。另外，冷水冷却还有可能导致晶体中含有较多的杂质，而且冷却时间仍然比较长，重现性也不好。建议用自然冷却的方法。
4.注意事项
结晶过程是一项非常复杂的单元操作，有众多因素影响产品的收率和质量，尽管我们对操作条件有了明确的认识，并实行严格控制，但晶体的均匀性、重复性还是不够理想，还有待进一步探索。