水合硫酸铜制备实验的改进

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摘要：概述了CuSO4·5H2O制备的几种不同方法。对教材中CuSO4·5H2O制备中存在的问题进行了分析，并对该实验进行了改进。实验以过氧化氢、硫酸、铜粉为原料，改用95%乙醇洗涤硫酸铜晶体。改进后实验操作简单，产品产率达95%以上，且反应过程无NO2等有毒气体释放，显著提高教学效果。
关键词：CuSO4·5H2O；水合硫酸铜制备；铜粉；实验改进
文章编号：1005–6629（2015）6–0068–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
硫酸铜晶体（俗称胆矾、蓝矾或铜矾）是制备其他铜类化合物的重要前驱体，也是一种常用的化工原料和化工产品，具有广泛的用途，它常用于电解精炼、电镀、电池、颜料、农药、纺织工业及有色金属选矿工业[1，2]。在大学无机化学实验教学中，五水硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O）的制备是一个典型的综合型制备实验，是无机化学实验教学中的重要内容之一[3]。也是中学人教版《实验化学》教材[4]中的一个制备实验。通过该实验可以让学生练习并掌握加热、减压过滤、蒸发浓缩和重结晶等基本操作。
目前常用的五水硫酸铜晶体制备的方法主要有浓硝酸氧化法、催化剂氧化溶解法和空气氧化法3种[5]。浓硝酸氧化法将浓硝酸分次加入到铜与稀硫酸的混合物中，此方法在制备过程中会产生大量有毒有害的气体NO2，且排放的NO2与空气中的水结合后生成硝酸，腐蚀实验室设施，严重污染环境，并危害实验室人员的身体健康。催化剂氧化溶解法常用铁离子和盐酸作为催化剂，容易形成铁铜硫酸盐混晶等问题，从而严重影响产品的质量。空气氧化法制备是利用废铜粉灼烧氧化制备CuSO4·5H2O，这种实验方法无三废排放，避免了生产过程中有毒有害气体的产生，但是经常有不少学生实验失败，出现产物结晶差、产率低等现象。
现行人教版化学选修六《实验化学》[6]中采用空气氧化法先将铜粉灼烧氧化成氧化铜，然后将其溶解于硫酸中，得到的粗品再用H2O2洗涤，该方法无三废排放，操作简单，但是成功率偏低，耗时长。大学无机化学实验[7]中采用浓硝酸氧化法用硝酸和硫酸溶解铜，该方法反应完全，操作简单，但是会产生大量有毒有害的气体NO2，腐蚀实验设备，严重污染环境。本文改用H2O2配合H2SO4来制备CuSO4的方法较为理想，其反应式为：
Cu+H2O2+H2SO4=CuSO4+2H2O；
CuSO4+5H2O=CuSO4·5H2O
该反应速度快，在15分钟内即可完成，整个实验全程大约一个小时，并且该方法具有不产生NO2毒气、操作简单、产率高等特点。
1 实验部分
1.1 仪器和试剂
试剂：铜粉（2.0克）、3MH2SO4、30% H2O2、95%乙醇
仪器：蒸发皿、铁架台、铁环、铁夹、酒精灯、玻璃棒、滤纸、普通漏斗、布氏漏斗、100mL烧杯1个、挡风板、量筒（25mL）、台秤、抽滤泵
1.2 实验步骤
在台秤上称取铜粉2.0克，往蒸发皿中加入3M的硫酸20mL，再量取10mL 30% H2O2（注意勿接触皮肤，有腐蚀性），用滴管逐滴加入到蒸发皿中，边加边搅拌，直到铜粉完全溶解为止。常压过滤后，取滤液进行浓缩操作。将上述滤液转入到蒸发皿中，直接用酒精灯加热浓缩，当观察有晶体开始析出时停止加热。冷却结出晶体。达到室温时，加入5mL 95%乙醇，使硫酸铜的溶解度进一步降低。将晶体移入洗涤干净的布氏漏斗中，抽滤，将晶体进一步分离。并用少量95%乙醇洗涤。称量，计算产率。
2 结果与讨论
2.1 浓硫酸用量的影响
由于铜粉的纯度不能保证百分百纯，所得CuSO4溶液中常含有部分Fe2+、Fe3+及Pb2+等。Pb2+可以通过与反应中剩余的H2SO4反应生成硫酸铅沉淀除去。Fe2+离子则需用氧化剂（30% H2O2）氧化为Fe3+离子，通过控制pH，使Fe3+离子充分水解为Fe（OH）3沉淀滤去，因此，调节溶液的pH对于CuSO4·5H2O晶体的纯度非常关键。实验结果表明，当pH5时，得到的CuSO4·5H2O晶体产率低，完全脱水后颜色为蓝绿色，我们推断这是由于Fe3+水解生成沉淀的同时，Cu2+水解生成了碱式碳酸铜。所以为了抑制Cu2+水解并制得高纯度的水合硫酸铜晶体，我们用稀硫酸调节溶液的pH为4.5。
2.2 温度的影响
往盛有铜屑的烧杯中加入10mL 1：3的H2SO4，缓慢滴加30% H2O2，反应温度最好用水浴使温度恒定保持在40℃。由于该反应为放热反应。温度过高H2O2剧烈分解，会使溶液溢出烧杯，温度过低则反应速度缓慢。因此，反应过程中温度过高时要用冷水冷却，待铜屑反应完全后，再加热煮沸2min。
2.3 洗涤溶剂的影响
用纯水作洗涤溶剂，洗涤2次，由于五水硫酸铜溶解于水，故滤液里面会有五水硫酸铜损失，产率都在80%以下。而我们采用95%乙醇作洗涤溶剂，同样洗涤2次，因五水硫酸铜在95%乙醇中溶解度大大降低，所以产率都在95%以上（结果见表1）。说明95%乙醇大大降低了五水硫酸铜在水中的损失，提高了产率。
3 结论
用30% H2O2作氧化剂，用铜粉与硫酸反应来制备五水硫酸铜，30% H2O2采用慢慢逐滴滴加的方式，反应用水浴控制温度为40度左右。硫酸用量控制在比铜粉物质的量稍过量，以保证溶液pH=4.5左右，并可以除去硫酸铅等杂质。洗涤溶剂用95%乙醇。产率达到95%以上。
通过对五水硫酸铜制备方法的改进，针对性地解决了该制备实验中的环境污染、产品纯度和产率低等问题。改进后的实验不仅可以在实验室里进行，而且不产生任何有害气体，大大优化实验室的环境，提高了五水硫酸铜的纯度和产率，显著提升了该实验课的教学效果。
参考文献：
[1] M.E.波任著.无机盐工艺学（上册）[M].北京：化学工业出版社，1980：399.
[2]肖远泉.饲料级五水硫酸铜的生产[J].无机盐工业，1994，（2）：25.
[3][7]徐家宁，门瑞芝，张寒琦.基础化学实验——无机化学和化学分析实验（上册）[M].北京：高等教育出版社，2013：67.
[4][6]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·实验化学[M].北京：人民教育出版社，2007：29.
[5]吴萍，陈维，唐亚文.五水硫酸铜晶体制备实验优化条件的探究[J].江苏教育学院学报（自然科学），2013，29（5）：51～52.