实验二 五水硫酸铜的制备
一．实验目的
1. 学习由不活泼金属与酸作用制备盐的方法及重结晶法提纯物质。 2.练习和掌握台天平、蒸发皿、坩埚钳、表面皿的使用。 3.学会倾滗法，减压过滤，溶解和结晶；固体的灼烧。 二．实验原理
1.制备原理：Cu + 2HNO3 + H2SO4 =CuSO4 +2NO2(↑) + 2H 2O CuSO4 +5H2O = CuSO4·5H2O
铜是不活泼金属，不能直接和稀硫酸发生反应制备硫酸铜，必须加入氧化剂。在浓硝酸和稀硫酸的混合液中，浓硝酸将铜氧化成Cu2+，Cu2+与SO42-结合得到产物硫酸铜。 2.提纯原理：
未反应的铜屑（不溶性杂质）用倾滗法除去。利用硝酸铜的溶解度在273K～373K范围内均大于硫酸铜溶解度的性质，溶液经蒸发浓缩后析出硫酸铜，经过滤与可溶性杂质硝酸铜分离，得到粗产品。 硫酸铜的溶解度随温度升高而增大，可用重结晶法提纯。在粗产品硫酸铜中，加适量水，加热成饱和溶液，趁热过滤除去不溶性杂质。滤液冷却，析出硫酸铜，过滤，与可溶性杂质分离，得到纯的硫酸铜。
T/K 273 293 313 333 353 五水硫酸铜 23.1 32.0 44.6 61.8 83.8 硝酸铜 83.5 125.0 163.0 182.0 208.0
三．主要仪器与试剂
1 仪器 烧杯 量筒 热过滤漏斗 减压过滤装置 台称 坩埚钳，蒸发皿。
373
114.0 247.0
2 试剂 Cu (s) 、 H2SO4、 HNO3(2.5mol/L; 0.5mol/L) 四．操作步骤
操作 现象及解释 注意事项 1 称量1.5g铜屑，红色铜片变成黑，铜片表灼烧铜片时，要先小火预热，蒸发灼烧至表面呈现黑面被氧化了 皿放在泥三角上，先均与加热再集色，冷却； 中加热，玻璃棒不要直接碰蒸发皿Cu(s,红色) + 壁，坩埚钳要预热， O2→CuO(s,黑色) 2 加加浓硝酸之后有黄棕色水浴加热时水在大烧杯的2/3处，5.5mL3mol·L-1硫气体生成，溶液呈蓝色。 第一次加完酸后，要等反应平稳后酸，2.5mL浓硝酸，才水浴加热， 如在反应激烈时水反应平稳后水浴加Cu + 2HNO3 + H2SO4 = 浴加热，由于温度提高，使反应速CuSO4+2NO2(↑) + 2H 2O 度提高，热，补加反应更激烈，溶液有可能2.5mL3mol·L-1硫溢出容器；而且要在蒸发皿上盖表2+Cu在水溶液中呈蓝色， 面皿，因为水浴加热反应的同时，酸，0.5mL浓硝酸； 也在蒸发浓缩溶液，体系溶剂减NO2是红棕色气体, 少，产物硫酸铜会析出，包在未反应的铜屑外面，使反应速度减慢，故要加盖表面皿。 3 铜近于完全溶解没有残余物，因为用的是 后，趁热倾滗法分纯铜片，都能被混酸溶离； 解。 4 水浴加热，蒸发从中间成膜，浓缩溶液从中间结膜好,从边上结膜说明边浓缩至结晶膜出现； 后，溶液达到过饱和，就上温度高,容易失水变白 会有晶体析出。由于溶剂在溶液表面蒸发快，溶液表面容易达到过饱和而析出晶体，当溶液表面被晶体铺满时，出现由晶体形成的膜，这就是晶体膜。 5 冷却、过滤； 得到蓝色晶体 从滤瓶中倒出液体时要快，所以事先准备好干的小烧杯 CuSO4 +5 H2O = CuSO4·5H2O （蓝色晶体） 6 粗产品以1.2mL滤液呈蓝色Cu2+在水溶液水/g的比例，加热溶中呈蓝色 于水，趁热过滤； 7 滤液冷却 、过逐渐长出蓝色晶体，先是滤；得到纯净的五水棒状，再长大呈棱形。硫酸铜晶体 CuSO4 +5H2O = CuSO4·5H2O（蓝色晶体） 五．实验结果及分析
结果：1.上述得到的粗产品的重量为：5.30g 2.重结晶后得到的产品重量为：2.39 g
分析：1. Cu — CuSO4 — CuSO4·5H2O(s) 64 160 250 1.5g 3.75g 5.86g 产率 = 5.30g/5.86g×100% = 90.4%
2.理论重结晶率为：(83. 8g-27.5g)/83.8*100%=67.2% 实际重结晶率为：2.39 / 5.30 * 100% = 45.1%
(在283K与353k时的溶解度分别为27.5g/100g水、83.8g/100g水) 六．讨论
●：1.列举从铜制备的其他方法，并加以评述。
答：由铜制备硫酸铜时铜的价态升高了，因此各种制备方法的共同点是找一个氧
化剂。氧化剂不同，制备上有差异，因此，每一种制备方法均有优缺点，请根据此思路考虑其他制备方法。同样由铜制备氯化铜、醋酸铜的关键也是找氧化剂，只是酸根不同而已。
可先将铜通风加热,制取氧化铜,再将氧化铜与稀硫酸反应制备硫酸铜 2Cu+O2=2CuO(加热) CuO+H2SO4=CuSO4+H2O
2.计算1.5g铜完全反应所需要的3mol/L硫酸和浓硝酸的理论值，为什么要用3mol/L硫酸？
答： (1.5g /64g/mol)÷(3×1000mol/mL) = 7.8mL
反应中生成了硫酸铜，为了避免硫酸铜析出而包裹铜阻止反应的进行，为使铜和硝酸的氧化反应继续进行，体系要有足够的水，通过溶解度的计算可知在浓硝酸确定的情况下，用3mol·L-1的硫酸能使生成的产物溶解而不析出。
● 思考题：1.硝酸在制备过程中的作用是什么？为什么要缓慢分批加入，而且尽量少加？
答：硝酸是氧化剂。加快了会有大量气体放出，会夹带溶液，使溶液溢出容器 ；分批加是为充分利用硝酸，避免未反应的酸在加热时分解。反应时，硝酸加多了，会导致粗产品中含有较多的硝酸铜，致使粗产品呈绿色。 2.在粗产品的制备 过程中，分离了哪些杂质？
答：未反应完全的铜，以及铜片中不与混酸反应的固体杂。 3.简述重结晶原理。是否所有的物质都可以用重结晶方法提纯? 每克粗产品需1.2ml水重结晶的依据是什么？
答：重结晶是利用固体混合物中目标组分在某种溶剂中的溶解度随温度变化有明显差异，在较高温度下溶解度大，降低温度时溶解度小，从而能实现分离提纯。 不是，适用于重结晶法提纯的物质应具备随温度变化溶解度变化较大的性质，如硝酸钾、五水硫酸铜等，这样提纯后的产率较大。
还有一种重结晶法是提纯物质在不同温度下的溶解度差别不是很大时采用，可以稍多加一些水，加热溶解，趁热过滤后，再加热蒸发至表面出现晶体（刚达到饱和），随即冷却结晶。
对于在不同温度下，溶解度差别不大的物质如氯化钠，则不能用重结晶法提纯，否则提纯产率太低。353K时：100g水中溶解五水硫酸铜83.8g，由此得出提纯物硫酸铜与溶剂水之间的关系：1gCuSO4·5H2O需水(100g/83.8g =1.2g )≈ 1.2ml的比例关系。
4. 蒸发浓缩溶液可以用直接加热也可以用水浴加热的方法，如何进行选择？ 首先由溶剂、溶质的性质决定。如加热由易燃、沸点在353K以下的有机溶剂组成的溶液时，用水浴加热方便安全。
溶质的热稳定性、氧化还原稳定性也决定了加热的方式。如五水硫酸铜受热时分解（热稳定性）CuSO4·5H2O = CuSO4·3H2O + 2H2O （375K）
CuSO4·3H2O = CuSO4·H2O + 2H2O （386K） CuSO4·H2O = CuSO4 + H2O （531K）
实验者对蒸发速度的要求是其次的考虑，当希望溶液平稳地蒸发，也用水浴加热，沸腾后溶液不会溅出，当然，蒸发速度相对要慢些。 七问题及分析
1.1 为了产量多一些，多称些铜屑；
不正确，因为加入的酸是根据铜的质量计算而来的，所以不能称多。 1.2 灼烧的目的是为了氧化铜；
不正确，灼烧的目的是为了除去铜表面的油污。 1.3 灼烧完就可以加硫酸、硝酸，能节省时间；
不正确，因为刚灼烧完的蒸发皿很烫，马上加酸，会使之炸裂；此外由于温度高，反应太剧烈，反应液会从蒸发皿中溢出，而且硝酸会大量分解。 2.1 为什么不用浓硫酸与铜反应制备五水硫酸铜？
浓硫酸有氧化性，可以与铜反应 ：Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O 由于浓硫酸中水很少，产物是白色的无水硫酸铜，而不是五水硫酸铜，无水硫酸铜与稍过量的浓硫酸形成稠状物，而且浓硫酸具有强酸性、脱水性，无法用滤纸过滤；
浓硫酸与铜的反应复杂，除上述主反应外，还有一系列副反应， 产生硫化亚铜、硫化氢、硫酸亚铜等 ：4Cu + SO2 = Cu2S + 2CuO Cu2S + H2SO4 = Cu2SO4 + H2S H2S + H2SO4 = SO2 + S +2H2O S + 2H2SO4 = 2H2O + SO2
Cu2SO4 + 2H2SO4 = 2CuSO4 + SO2 + 2H2O
究竟哪一个副反应最可能发生，须视反应条件而定，若铜过多，硫酸量相应少些，就会有黑色的硫化亚铜生成，当温度高时，硫化亚铜作为产物和硫酸铜同时存在，其反应如下：
5Cu + 4H2SO4 = Cu2S + 3CuSO4 + 4H2O (403～443K) 因此铜和浓硫酸的反应产物是与铜和浓硫酸的相对量、反应温度有关。 2.2 为什么用3mol·L-1的硫酸？
实验二 五水硫酸铜的制备
