文档介绍：绿色化学在硫酸铜制备实验中的应用
摘要分析了现有高校化学实验教材中主要二种五水硫酸铜制备方法的不足,并对其进行了改进。同时还运用乙醇―水体系使硫酸铜结晶,在有效结合绿色化学的理念下,取得了较好的实验结果。
关键词硫酸铜过氧化氢氧化剂结晶方法绿色化学
五水硫酸铜的制备是无机化学中的一个综合性制备实验,该实验涉及加热、蒸发、结晶、提纯等无机化学实验基本操作,适合考察学生的综合实验素质,故常被高校化学实验课所青睐。由于铜是一种不太活泼的金属,在一般情况下不能与稀硫酸反应,故该实验必须加入适当的氧化剂才能顺利进行。
1 现有制备方法的分析
常见氧化法
硝酸氧化法
以浓硝酸为氧化剂,分多次逐步加入到铜屑与稀硫酸的混合物中,加热,使反应进行[1,2]。其反应原理如下:
3Cu+2HNO?3+3H?2SO?4=3CuSO?4+2NO↑+4H?2O
在硝酸氧化法中,会产生大量有毒的NO气体,即使实验在通风橱中进行,也会对环境造成严重污染,影响师生身体健康。
空气氧化法
以空气为氧化剂,先将铜屑高温灼烧成氧化铜,再使其与稀硫酸反应生成硫酸铜[3,4]。反应原理如下:
2Cu+O?2=2CuO
CuO+H?2SO?4=CuSO?4+H?2O
在空气氧化法中,灼烧时间长达20 min,不仅浪费了大量能源,而且铜屑氧化反应往往进行的不充分,有一定量的铜屑不能完全被氧化,使硫酸铜产率下降。
结晶方法
几乎所有实验教材中均采用冷却硫酸铜热饱和溶液至室温的结晶方法,原因是硫酸铜的溶解度随温度变化较明显。但五水硫酸铜在室温时溶解度依然较大,其20℃时溶解度是100℃时的28%,30℃时溶解度是100℃时的33%。因此,即使在析出晶体后的母液中,仍然含有相当量的溶质,造成产品损失较多。硫酸铜的溶解度如表1所示。
笔者在夏天较高气温下做该实验时发现,直接降温结晶析出的硫酸铜晶体不多,效果并不理想。
2 改进方法
过氧化氢氧化法
过氧化氢在酸性条件下具有较强的氧化能力,φ??H?2O?2/H?2O= eV,且其还原产物是水,不会给反应体系引入其他杂质,因此是一种比较理想的绿色氧化剂。以H?2O?2为氧化剂的反应原理如下:
Cu+H?2O?2+H?2SO?4=CuSO?4+2H?2O
类Fenton试剂的形成
H?2O?2和Cu2+可以形成类Fenton试剂体系,而类Fenton试剂可以产生氧化性极强的•OH,其产生过程如下[5,6]:
Cu2++H?2O?2?k??1CuOOH?++H?+
CuOOH?+?k??2Cu?++1/2O?2+•OH
Cu?++H?2O?2?k??3Cu2++•OH+OH?-
Cu?++•OH?k??4Cu2++OH?-
•OH的产生对铜的氧化起到了一定的促进作用,可以使铜的氧化速率大大加快。
乙醇―水体系结晶法
由于在无机盐水溶液中加入能与水混溶且极性较小的溶剂通常可以降低无机盐在水中的溶解度,故本实验采取在硫酸铜热饱和溶液中加入适量乙醇的方