無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)之堿式碳酸銅的制備-設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

堿式碳酸銅的制備一設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(2人一組)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：通過(guò)堿式碳酸銅制備條件的探求和生成物顏色，狀態(tài)的分析，研究反應(yīng)物的合理配料比并確定制備反應(yīng)合適的溫度條件。培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。二、 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：通過(guò)堿式碳酸銅制備條件的探求，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。三、 教學(xué)方法與手段：講授法；演示法四、 教學(xué)課時(shí):4課時(shí)六、教學(xué)內(nèi)容：［堿式碳酸銅的性質(zhì)］:、天然孔雀石的主要成分，呈暗綠色或淡藍(lán)色，相對(duì)密度4.0,、加熱至200°C即分解、在水中的溶解度很小，溶于稀酸、氨水或堿金屬的氧化物。、新制備的試樣在沸水中易分解：Cu2(OH)2CO3=CuO『H2O+CO2f［實(shí)驗(yàn)原理］2CuSO+2NaCO+HO=Cu(OH)COl+2NaSO+COf4 2 3 2 2 2 3 2 4 2堿式碳酸銅Cu2(OH)2CO3為暗綠色或淡藍(lán)綠色晶體。將銅鹽和碳酸鹽混合后，由于Cu(OH)2和CuCO3二者溶解度相近，同時(shí)達(dá)到析出條件，同時(shí)析出。［正交實(shí)驗(yàn)］:科研生產(chǎn)中如何使用正交實(shí)驗(yàn)確定反應(yīng)條件的優(yōu)化？先固定濃度0.5/0.5,然后0°C，20°C，50OC，70OC，100OC，確定最佳溫度，然后在最佳溫度下，反應(yīng)物料的配比1：1，1/2，1/3，1/4。反應(yīng)物是用CuCl2/Cu(NO3)2/CuSO4?【實(shí)驗(yàn)步驟】：一、 反應(yīng)物溶液的配制配制0.5mol.L-1的CuSO4溶液和0.5mol.L-1的Na2CO3各100ml.注意觀察CuSO4和Na2CO3有無(wú)結(jié)晶水?？梢杂脽致耘渲疲恍栌萌萘科?！二、 反應(yīng)條件的探求：例如：①、合適配比；②、溫度；③、反應(yīng)物種類；④、反應(yīng)時(shí)間1、 CuSO4和Na2CO3溶液的合適配比在四支試管中分別加入2.0ml，0.5mol.L-1CuSO4溶液，再分別取0.5mol.L-1Na2CO3溶液1.6ml，2.0ml，2.4ml，2.8ml依次加入另四支配號(hào)試管。將8支試管放于75OC恒溫水浴中。幾分鐘后，將CuSO4分別倒入Na2CO3溶液中，振蕩試管，比較各試管中沉淀生成的速度，沉淀的數(shù)量及顏色，從中得出何種比例為佳。注意：(1)、試管需要編號(hào)；、恒溫水浴鍋用溫度計(jì)測(cè)量溫度，因?yàn)閮x器本身指示溫度不準(zhǔn)確。、CuSO4分別倒入Na2CO3溶液中，混合后，振蕩試管后，仍需要放置到水浴鍋中加熱反應(yīng)一段時(shí)間才能觀察到有效沉淀(降)，否則膠狀不容易觀察。2、 反應(yīng)溫度的探求在三支試管中，各加入2.0ml，0.5mol.L-1CuSO4溶液，另取三支試管，各加入由上述實(shí)驗(yàn)得到的合適用量的0.5mol.L-1Na2CO3溶液。將這兩列試管中各取一支，將它們分別置于50。。，100。。的恒溫水浴中，數(shù)分鐘后將CuSO4倒入Na2CO3中振蕩并觀察現(xiàn)象。（1） 、100OC的樣品直接由75OC加熱而成。節(jié)約能源?。?） 、75OC的不需要再做了，上面在探討合適的配比時(shí)已經(jīng)做過(guò)了。（3） 、嚴(yán)格來(lái)講，還需做其它的溫度和其它的配比？本次選擇65°C作為最佳溫度。（4） 、沉淀完全的標(biāo)志：上面一層達(dá)到澄清。溫度太低，反應(yīng)速率很慢；溫度很高，不利于結(jié)晶和顆粒度的形成，同時(shí)有可能會(huì)分解產(chǎn)生CuO的黑色沉淀。因此溫度T小于100OC。三、堿式碳酸銅的制備取60ml，0.5mol.L-iCuSO4溶液，根據(jù)反應(yīng)物合適比例及適宜溫度制取堿式碳酸銅。待沉淀完全后，用蒸餾水洗滌沉淀數(shù)次，直到沉淀中不含SO42-為止，吸干，100OC烘干。計(jì)算產(chǎn)率。在水中分解溫度很低，但在干態(tài)100°C還不會(huì)分解，所以產(chǎn)品可以用烘箱100OC烘干！【產(chǎn)品介紹】：若得到的產(chǎn)品是藍(lán)色是Cu（OH）2,只有綠色/藍(lán)綠色的才是產(chǎn)物。［自己所做的一些探討］:一、關(guān)于反應(yīng)比例以下實(shí)驗(yàn)，均取2.0ml0.5mol/LCuSO4溶液。將CuSO4倒入Na2CO3溶液中。均有大量氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)劇烈。（1） 、NaCO3取1.0ml。第一次：淡綠色晶體，I很細(xì)小，產(chǎn)量也少。與其余相比較量最少。第二次：不生成凝膠，為淡綠色晶體（略帶盛），上層清液為藍(lán)色，量最少，與第一次相比較，I顏色基本相同，溶液是淡藍(lán)，但I(xiàn)比第一次多。（2） 、Na2CO3取1.6ml。第1次：淡藍(lán)白色I(xiàn)，產(chǎn)量較大。徑放置24h，由原來(lái)的淡藍(lán)白色較為藍(lán)綠色細(xì)小I，在（1）到（4）中產(chǎn)量最多。（1）與（2）的清液都顯淡藍(lán)色，（1）更藍(lán)一點(diǎn)。第2次：淡藍(lán)白色I(xiàn)，未振蕩時(shí)局部有一黑色斑點(diǎn)，振蕩后消失，I產(chǎn)量較大，徑放置，I降到底點(diǎn)為淡藍(lán)色細(xì)小拓放置24h再看，仍為淡藍(lán)色I(xiàn)，產(chǎn)量很大（最），清液略顯藍(lán)色，與第1次比較，此次主顯淡藍(lán)色，看不到綠色。但第一次做的主要顯綠色，產(chǎn)量也沒(méi)第二次多。（3） 、Na2CO3取2.0mlo第一次：剛開(kāi)始時(shí)生成I的顏色與（2）中第一次相近，經(jīng)放置一會(huì)，由藍(lán)色轉(zhuǎn)為綠色細(xì)小脂產(chǎn)量較大。第二次：剛加入就生成藍(lán)白I，下部有黑色I(xiàn)量較多（未振蕩前），振蕩后為灰藍(lán)色I(xiàn)，經(jīng)放置轉(zhuǎn)為細(xì)小的綠色I(xiàn)，產(chǎn)量較多。放置24h，沒(méi)變化。三次相比較，I顏色及溶液顏色分不出區(qū)別，但第2次的產(chǎn)量大于其他。第三次：不同上面的是，一經(jīng)加入即振蕩沒(méi)有生成黑色，I為淡藍(lán)白色。放置一會(huì)也不變色。放入水浴中加熱煮沸，很快由淡藍(lán)轉(zhuǎn)為綠色拓放置24h，無(wú)多大變化。（4） 、Na2CO3溶液取2.6ml第一次：剛加入CuSO4時(shí)即刻生成藍(lán)綠色膠體，中間夾有褐色點(diǎn)，徑振蕩放置，褐色點(diǎn)消失，I為綠色與（3）中第一次相同。但產(chǎn)量比（3）少。第二次：即生成凝膠，下部為黑色上部為藍(lán)色，經(jīng)振蕩為灰藍(lán)色，產(chǎn)量較大，放置1h左右，逐漸轉(zhuǎn)為綠色，但帶有灰色。放置24h顯綠色，與（3）第一次相比較，略帶藍(lán)色，產(chǎn)量比（3）一大，幾乎與（2）一差不多。第三次：來(lái)不及振蕩即上部藍(lán)下部黑I,振蕩后為灰藍(lán)色，產(chǎn)量大。經(jīng)水浴加熱煮沸，變?yōu)榛液谏⒊两?。放?4h，主要顯灰土色，但帶有一點(diǎn)綠色。三次相比較，第一次產(chǎn)量少，色較第二次沉淀綠，第二次I量大，但綠中顯藍(lán)；第三次量大，但顯灰土色。（5）、Na2CO3溶液取3.8ml剛加入。uSO4時(shí)即生成凝膠，上部顯藍(lán)色，下部主要為黑色，經(jīng)放置振蕩，凝膠轉(zhuǎn)為I且全為黑色。二、 關(guān)于溫度的影響0.5mol/L（2mlCuSO4+2.1mlNa2CO3）1、 將（5）中產(chǎn)生的I洗滌3次：（1） 黑1+2mol.L1HC1—溶液顯淡藍(lán)色漬液，有較多的小氣泡溢出。（2） 黑1+2mo1.L1H2SO4—l立即溶解，淡藍(lán)色透明液，有大量小氣泡放出。（3） 將黑I烘干，外焰加熱一會(huì)，再加2MHC11溶解為淡色液，但沒(méi)有看到有氣泡溢出。2、 2ml0.5mol/LCuSO4+3mol2MNaOH沸水浴立即生成褐黑色凝膠，顏色比上述顏色深得多。（1） 褐黑膠狀1+2MHC1—1溶解，為淡藍(lán)色透明液，無(wú)小氣泡放出。（2） 褐黑膠狀1+2MH2SO4—現(xiàn)象同上，淡藍(lán)色。［結(jié)論］：黑色I(xiàn)應(yīng)是CuO.Cu（OH）2和CuCO3對(duì)熱不穩(wěn)定，易受熱分解。三、 反應(yīng)時(shí)間從學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，將反應(yīng)比及時(shí)間固定下來(lái)后制備堿式碳酸銅，幾乎全部學(xué)生得到的是藍(lán)色膠狀I(lǐng)，混合后也不再攪拌而是等待一會(huì)后抽濾，產(chǎn)品為深藍(lán)色不再轉(zhuǎn)變。我讓部分學(xué)生保持加熱條件下攪拌，大多得到淡綠色細(xì)小拓最特別的是：一個(gè)學(xué)生產(chǎn)品為暗藍(lán)色，我使之墊石棉網(wǎng)△，不到10mm，轉(zhuǎn)變?yōu)樯罹G色I(xiàn)并沉降至燒杯底部?？傊?，混合后必須加熱一段時(shí)間。【思考題】：反應(yīng)溫度，配比對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響？答：反應(yīng)溫度的高低，反應(yīng)配比的大小會(huì)影響反應(yīng)的速度以及生成沉淀的多少，并且在100°C以上時(shí)，新生成的沉淀容易分解。Na2CO3溶液倒入CuSO4溶液時(shí)，結(jié)果會(huì)有何不同？答：兩者可能發(fā)生的反應(yīng)：a:2N^CO+CuSO+2HO=Cu（OHL；+N^SO+NaHCO.b:2N^CO+CuSO+3HO=CuCO3-N^CO/3HQI+N^SO.c:2N^CO+2CuSO+HO=Cu（OHkCOl+2Na°SO+COTd:12N^CO+7CuSO+10HO=2CuCO-5Cu（OHL；+7N^SO+10NaHCO.反應(yīng)溫度在什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)褐色產(chǎn)物？這種物質(zhì)是什么？答：褐色物質(zhì)是新制的堿式碳酸銅分解出來(lái)的氧化銅，在溶液沸騰的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)。應(yīng)物的種類、反應(yīng)進(jìn)行的時(shí)間等因素是否會(huì)對(duì)產(chǎn)物的質(zhì)量會(huì)有影響？答：有影響，因?yàn)榉磻?yīng)進(jìn)行的程度與反應(yīng)時(shí)間直接有關(guān)，反應(yīng)的種類直接影響生成物的組成。自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定產(chǎn)物銅及碳酸根的含量，從而分析所制得堿式碳酸銅的質(zhì)量。答：首先通過(guò)堿式碳酸銅的分解反應(yīng)Cu/OHJCq=CuO+H2O+CO2可以知道生成的堿式碳酸銅的物質(zhì)的量，其次通過(guò)測(cè)定氧化銅的還原反應(yīng)可以知道生成銅的物質(zhì)的量CuO+H2=Cu+H2O,通過(guò)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以求出銅和碳酸根的含量?！狙a(bǔ)充資料——若干方法制備堿式碳酸銅】1、 由NaCO-10HO跟CuSO?5HO反應(yīng)制備2 3 2 4 2、根據(jù)CuSO跟NaCO反應(yīng)的化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算，稱取14gCuSO-5HO,16gNaCO-10HO(或4 2 3 4 2 2 3 26g無(wú)水NaCO)；、用研缽分別研細(xì)后再混合研磨，此時(shí)即發(fā)生反應(yīng)，有產(chǎn)生氣泡的聲音，而且混合物吸濕很厲害，很快成為“粘膠狀”；、將混合物迅速投入200mL^水中，快速攪拌并撤離熱源，有藍(lán)綠色沉淀產(chǎn)生；、抽濾，用水洗滌沉淀，至濾液中不含SO2-為止，取出沉淀，風(fēng)干，得到藍(lán)綠色晶體。該方法制得的晶體，主要成分是Cu(OH)CO，因反應(yīng)產(chǎn)物與溫度、溶液的酸堿性等有關(guān)，因而同時(shí)可能有藍(lán)色的2CuCO-Cu(OH)、2CuCO?3Cu(OH)和2CuCO?5Cu(OH)等生成，使晶體帶有藍(lán)色。TOC\o"1-5"\h\z32 3 2 3 2如果把兩種反應(yīng)物分別研細(xì)后再混合(不研磨)，采用同樣的操作方法，也可得到藍(lán)綠色晶體。2CuSO+2NaCO+HO=Cu(OH)COl+2NaSO+COf4 2 3 2 2 2 3 2 4 2250(含結(jié)晶水)286(含結(jié)晶水)22214 16 12.4g2、 由Na2CO3?10H2O跟CuSO4?5H2O反應(yīng)制備根據(jù)CuSO4跟Na2CO3反應(yīng)的化學(xué)方程式。2CuSO4+2Na2COa+H2O==Cu2(OH)2CO盤+2Na2SO4+CO崩進(jìn)行計(jì)算，稱取14gCuSO4?5H2O，16gNa2CO3?10H2O,用研缽分別研細(xì)后再混合研磨，此時(shí)即發(fā)生反應(yīng)，有磁磁”產(chǎn)生氣泡的聲音，而且混合物吸濕很厲害，很快成為“粘膠狀”.將混合物迅速投入200mL沸水中，快速攪拌并撤離熱源，有藍(lán)綠色沉淀產(chǎn)生.抽濾，用水洗滌沉淀，至濾液中不含SO42-為止，取出沉淀，風(fēng)干，得到藍(lán)綠色晶體.該方法制得的晶體，它的主要成分是Cu2(OH)2CO3,因反應(yīng)產(chǎn)物與溫度、溶液的酸堿性等有關(guān)，因而同時(shí)可能有藍(lán)色的2CuCO3-Cu(OH)2>2CuCO3-3Cu(OH)2和2CuCO3-5Cu(OH)2等生成，使晶體帶有藍(lán)色.如果把兩種反應(yīng)物分別研細(xì)后再混合(不研磨)，采用同樣的操作方法，也可得到藍(lán)綠色晶體.3、 由Na2CO3溶液跟CuSO4溶液反應(yīng)制備分別稱取12.5gCuSO4-5H20,14.3gNa2CO3-10H2O,各配成200mL溶液(溶液濃度為0.25mol?L-1).在室溫下，把Na2CO3溶液滴加到CuSO4溶液中，并攪拌，用紅色石蕊試紙檢驗(yàn)溶液至變藍(lán)為止，得到藍(lán)色沉淀.抽濾，用水洗沉淀，至濾液中不含SO42-為止，取出沉淀，風(fēng)干，得到藍(lán)色晶體.該晶體的主要成分為5CuO?2CO2.如果使沉淀與Na2CO3的飽和溶液接觸數(shù)日，沉淀將轉(zhuǎn)變?yōu)镃u(OH)2.如果先加熱Na2CO3溶液至沸騰，滴加CuSO4溶液時(shí)會(huì)立即產(chǎn)生黑色沉淀.如果加熱CuSO4溶液至沸騰時(shí)滴加Na2CO3溶液，產(chǎn)生藍(lán)綠色沉淀，并一直滴加Na2CO3溶液直至用紅色石蕊試紙檢驗(yàn)變藍(lán)為止，但條件若控制不好的話，沉淀顏色會(huì)逐漸加深，最后變成黑色.如果先不加熱溶液，向CuSO4溶液中滴加Na2CO3溶液，并用紅色石蕊試紙檢驗(yàn)至變藍(lán)為止，然后加熱，沉淀顏色也易逐漸加深，最后變成黑色.出現(xiàn)黑色沉淀的原因可能是由于產(chǎn)物分解成CuO的緣故.因此，當(dāng)加熱含有沉淀的溶液時(shí)，一定要控制好加熱時(shí)間.4、 由NaHCO3跟CuSO4?5H2O反應(yīng)制備稱取4.2gNaHCO3，6.2gCuSO4-5H2O,將固體混合(不研磨)后，投入100mL沸水中，攪拌，并撤離熱源，有草綠色沉淀生成.抽濾、洗滌、風(fēng)干，得到草綠色晶體.該晶體的主要成分為CuCO3_Cu(OH)2-H2O.5、 由Cu(NO3)2跟Na2CO3反應(yīng)制備將冷的Cu(NO3)2飽和溶液倒入Na2CO3的冰冷溶液(等體積等物質(zhì)的量濃度)中，即有堿式碳酸銅生成，經(jīng)抽濾、洗滌、風(fēng)干后，得到藍(lán)色晶體，其成分為2CuCO3?Cu(OH)2.由上述幾種方法制得的晶體顏色各不相同.這是因?yàn)楫a(chǎn)物的組成與反應(yīng)物組成、溶液酸堿度、溫度等有關(guān)，從而使晶體顏色發(fā)生變化.從加熱分解堿式碳酸銅實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，由第一種方法制得的晶體分解最完全，產(chǎn)生的氣體量最大.6、 2CuSOl+4NaHCO=CuCO-Cu(OHk+2NaSO,+3CO+HO4 3 3 22422將125gCuSO4?5H2O與95gNaHCO3混合研細(xì)，將混合物分次少量地加入到工沸水中并不斷攪拌。此時(shí)有CO2放出。加料完畢后煮沸10?15min，吸濾I，用水洗至無(wú)硫酸根為止，于80?100°C干燥得產(chǎn)品，產(chǎn)量48—50g。用途：銅鹽制造，油漆顏料，煙火制造。用作殺蟲(chóng)劑，固體熒光粉激活劑。避光密存。2CuSO4+4NaHCO CuCO-Cu(OH)2+2Na2SO4+3CO2+H2O24125/249.68=0.5mol 95/84.007=1.13mol實(shí)際物料比：CuSO4/NaHCO3=0.5/1.13=1/2.3<1/2(MCuSO4.5H2O=249-68 MNaHCO3=84.007)7、 (蘇)M.E，波任等著《無(wú)機(jī)鹽工藝學(xué)》上，416，化學(xué)工業(yè)出版社，19802CuSO+2N^CO+H°O==Cu(OHL-CuCO+2N^Sa+COfCuSO4與純堿作用可制得堿式碳酸銅。因溫度和其他沉淀?xiàng)l件不同，或是生成青色的2CuCO3?Cu(OH)2?；蚴巧删G色的CuCO3-Cu(OH)2o溶液混合時(shí)，最初析出青色的膠狀，然后變成組成為CuCO3?Cu(OH)2?XH2O的綠色結(jié)晶。為了制得這種組成的產(chǎn)品，應(yīng)使?jié)舛瘸蔀?mol,L1的原料溶液，按Na2CO3：CuSO4==1.1：1的比例