鹼式碳酸銅又名孔雀石,其形狀為細小顆粒的綠色粉末。相對密度為3.8525,折光率為1.655、1.875、1.909,加熱至220℃時分解,是一種名貴的礦物寶石。它是銅與空氣中的氧氣、二氧化碳和水等物質反應產生的物質,又稱銅鏽。鹼式碳酸銅可用來製造訊號彈、煙火、油漆顏料、殺蟲劑、解毒劑、固體熒光粉啟用劑等,也用於種子處理及作殺菌劑等。在無機鹽工業中用於製備各種銅化合物,在有機工業中用作有機合成催化劑,在電鍍銅錫合金工業中用作銅的新增劑。
常見的製備方法主要有四種:(1)由Na2CO3·10H2O跟CuSO4·5H2O反應制備;(2)由Na2CO3溶液跟CuSO4溶液反應制備; (3)由NaHCO3跟CuSO4·5H2O反應制備;(4)由Cu(NO3)2跟Na2CO3反應制備。根據我校的現有實驗室條件和裝置,我們一般選擇第二種方法制取鹼式碳酸銅。
通過鹼式碳酸銅製備條件的探求和生成物顏色、狀態的分析,研究反應物的合理配料比並確定製備反應合適的溫度條件,以培養獨立設計實驗的能力。鹼式碳酸銅的製備實驗是面向化學專業大一學生開設的一個典型的設計性實驗,不僅要保證實驗質量,還要讓學生掌握獨立進行實驗設計的方法。《大學化學實驗》一書中的鹼式碳酸銅製備的實驗,採用硫酸銅和碳酸鈉溶液進行復分解反應制備鹼式碳酸銅,由於反應過程中,條件較難控制, 副反應多, 反應現象差異性不明顯,所以學生在優化條件選擇時出現較多的判斷失誤,僅通過顏色及反應速度的快慢是很難準確得出結論的,因此,筆者對本實驗進行改進,以達到最佳的反應效果。
一、實驗製備方法
1.實驗儀器及藥品
藥品:CuSO4·5H2O(固體),Na2CO3(固體)。
儀器:帶標號的試管8個;燒杯(250mL)8個;容量瓶(250mL)2個;25mL移液管2個; 電子天平;恆溫水浴鍋;抽濾瓶;蒸發皿;布式漏斗(非真空);烘箱;試管架;吸耳球。
2.實驗原理
鹼式碳酸銅Cu2(OH)2CO3為天然孔雀石的主要成分,呈暗綠色或淡藍綠色,俗稱孔雀綠,在水中的溶解度很小,溶於酸,新制備的試樣在沸水中很易分解。加熱至200℃即分解。為了適於鹼式碳酸銅的生成和分離。根據鹼式碳酸銅的性質和銅鹽的性質,選用硫酸銅溶液和碳酸鈉溶液。在反應過程中,反應溫度、反應物濃度及反應物配比對反應物均有影響。
3. 實驗過程
分別按合適比例取CuSO4溶液和 Na2CO3溶液各若干毫升, 加熱到合適溫度後, 將CuSO4溶液倒入Na2CO3溶液, 記錄沉澱的顏色和體積變化。沉澱下沉後, 洗滌沉澱數次, 抽濾, 並用少量冷蒸餾水洗滌沉澱至無 SO42-為止, 抽乾, 置烘箱中烘乾, 稱量, 計算產率。
4.反應溶液的配置
配置0.5mol·L-1的CuSO4溶液和0.5 mol·L-1 Na2CO3溶液各250mL。稱取固體藥品硫酸銅31.2110g和碳酸鈉13.2488g,分別倒入兩個250mL的燒杯中,用100mL蒸餾水溶解,再轉入250mL容量瓶中,配成250mL溶液,靜置,備用。
二、結果與討論
1.反應物合適配比探求
取四個已編號的試管,均加入2.0mL的0.5mol·L-1的CuSO4溶液,再分別取0.5mol·L-1Na2CO3溶液1.6mL、2.0mL、 2.4mL及2.8mL,依次加入另外四個編號的`試管中。將八個試管放在75℃恆溫水浴中加熱,幾分鐘後,依次將CuSO4溶液分別倒入Na2CO3溶液中,振盪試管,比較各試管沉澱生成的速度、沉澱的數量及顏色。實驗結果如下表1所示:
通過對比,我們發現反應的最佳配比為1∶1,產率可以達到94.16%。
2.反應溫度的探求
在三個試管中,各加入2.0mL0.5mol·L-1CuSO4溶液,另取三個試管,各加入由上述實驗得到的合適用量的0.5mol·L-1Na2CO3 溶液。從這兩個試管中各取一個,將它們分別置於室溫25℃、50℃、75℃、100℃的恆溫水浴中,數分鐘後將CuSO4溶液倒入Na2CO3溶液中,振盪並觀察現象,由實驗結果確定製備反應的合適溫度。實驗結果如下表2所示:
經過對比,我們發現反應的最佳溫度為75℃,產率可以達到94.12%。
3.鹼式碳酸銅製備的最佳設計
取60 mL 0.5 mol·L-1CuSO4溶液和60 mL 0.5 mol·L-1Na2CO3溶液分別放在75℃的恆溫水浴鍋中,幾分鐘後取出,將CuSO4溶液倒入Na2CO3溶液中,充分振盪待沉澱完全後,用蒸餾水洗滌沉澱數次,直到沉澱中不含SO42-為止,抽乾。將所得產品在烘箱中烘乾2h,待冷至室溫後稱量,並計算產率。實驗結果如下表3所示:
此實驗溫度探究最佳反應物配比:Na2CO3∶ CuSO4=1∶1,最佳溫度為75℃,在85℃下烘乾2h,反應溫度不能過高,如果溫度高於75℃,產生褐色的CuO。若將Na2CO3溶液倒入 CuSO4溶液中,不能充分反應,沉澱不徹底。沉澱完全後要反覆清洗沉澱,然用pH試紙測試濾液中的pH值,pH=7左右確保將沉澱SO42-除完,如果有殘留的SO42-,乾燥時會有黑色物質產生。乾燥時溫度不易過高,否則會將Cu2(OH)2CO3分解。
三、本實驗注意事項
1.反應最佳溫度應為75℃,超過後會有褐色沉澱產生,在恆溫時需要不停攪拌。
2.沉澱要洗滌乾淨,濾液中pH=7左右SO42-除完。
3.沉澱應在85℃時烘乾2h以上,溫度過高Cu2(OH)2CO3會受熱分解。
4.若反應後不能觀察到暗綠色或淡藍色沉澱產生,可將反應物保持原樣(不可將濾液濾去),靜置l~2天,再作觀察。
5.反應過程中不可將Na2CO3溶液倒入CuSO4溶液中,應用反滴法。
6.本次實驗用布式漏斗(非真空)。