对无机化学实验中碱式碳酸铜的制备方法探讨

碱式碳酸铜又名孔雀石,其形状为细小颗粒的绿色粉末。相对密度为3.8525,折光率为1.655、1.875、1.909,加热至220℃时分解,是一种名贵的矿物宝石。它是铜与空气中的氧气、二氧化碳和水等物质反应产生的物质,又称铜锈。碱式碳酸铜可用来制造信号弹、烟火、油漆颜料、杀虫剂、解毒剂、固体荧光粉激活剂等,也用于种子处理及作杀菌剂等。在无机盐工业中用于制备各种铜化合物,在有机工业中用作有机合成催化剂,在电镀铜锡合金工业中用作铜的添加剂。
　　
　　常见的制备方法主要有四种:(1)由Na2CO3·10H2O跟CuSO4·5H2O反应制备;(2)由Na2CO3溶液跟CuSO4溶液反应制备;(3)由NaHCO3跟CuSO4·5H2O反应制备;(4)由Cu(NO3)2跟Na2CO3反应制备。根据我校的现有实验室条件和设备,我们一般选择第二种方法制取碱式碳酸铜。
　　
　　通过碱式碳酸铜制备条件的探求和生成物颜色、状态的分析,研究反应物的合理配料比并确定制备反应合适的温度条件,以培养独立设计实验的能力。碱式碳酸铜的制备实验是面向化学专业大一学生开设的一个典型的设计性实验,不仅要保证实验质量,还要让学生掌握独立进行实验设计的方法。《大学化学实验》一书中的碱式碳酸铜制备的实验,采用硫酸铜和碳酸钠溶液进行复分解反应制备碱式碳酸铜,由于反应过程中,条件较难控制,副反应多,反应现象差异性不明显,所以学生在优化条件选择时出现较多的判断失误,仅通过颜色及反应速度的快慢是很难准确得出结论的,因此,笔者对本实验进行改进,以达到最佳的反应效果。
　　
　　一、实验制备方法
　　
　　1.实验仪器及药品
　　
　　药品:CuSO4·5H2O(固体),Na2CO3(固体)。
　　
　　仪器:带标号的试管8个;烧杯(250mL)8个;容量瓶(250mL)2个;25mL移液管2个;电子天平;恒温水浴锅;抽滤瓶;蒸发皿;布式漏斗(非真空);烘箱;试管架;吸耳球。
　　
　　2.实验原理
　　
　　碱式碳酸铜Cu2(OH)2CO3为天然孔雀石的主要成分,呈暗绿色或淡蓝绿色,俗称孔雀绿,在水中的溶解度很小,溶于酸,新制备的试样在沸水中很易分解。加热至200℃即分解。为了适于碱式碳酸铜的生成和分离。根据碱式碳酸铜的性质和铜盐的性质,选用硫酸铜溶液和碳酸钠溶液。在反应过程中,反应温度、反应物浓度及反应物配比对反应物均有影响。
　　
　　3.实验过程
　　
　　分别按合适比例取CuSO4溶液和Na2CO3溶液各若干毫升,加热到合适温度后,将CuSO4溶液倒入Na2CO3溶液,记录沉淀的颜色和体积变化。沉淀下沉后,洗涤沉淀数次,抽滤,并用少量冷蒸馏水洗涤沉淀至无SO42-为止,抽干,置烘箱中烘干,称量,计算产率。
　　
　　4.反应溶液的配置
　　
　　配置0.5mol·L-1的CuSO4溶液和0.5mol·L-1Na2CO3溶液各250mL。称取固体药品硫酸铜31.2110g和碳酸钠13.2488g,分别倒入两个250mL的烧杯中,用100mL蒸馏水溶解,再转入250mL容量瓶中,配成250mL溶液,静置,备用。
　　
　　二、结果与讨论
　　
　　1.反应物合适配比探求
　　
　　取四个已编号的试管,均加入2.0mL的0.5mol·L-1的CuSO4溶液,再分别取0.5mol·L-1Na2CO3溶液1.6mL、2.0mL、2.4mL及2.8mL,依次加入另外四个编号的试管中。将八个试管放在75℃恒温水浴中加热,几分钟后,依次将CuSO4溶液分别倒入Na2CO3溶液中,振荡试管,比较各试管沉淀生成的速度、沉淀的数量及颜色。实验结果如下表1所示:
　　
　　通过对比,我们发现反应的最佳配比为1∶1,产率可以达到94.16%。
　　
　　2.反应温度的探求
　　
　　在三个试管中,各加入2.0mL0.5mol·L-1CuSO4溶液,另取三个试管,各加入由上述实验得到的合适用量的0.5mol·L-1Na2CO3溶液。从这两个试管中各取一个,将它们分别置于室温25℃、50℃、75℃、100℃的恒温水浴中,数分钟后将CuSO4溶液倒入Na2CO3溶液中,振荡并观察现象,由实验结果确定制备反应的合适温度。实验结果如下表2所示:
　　
　　经过对比,我们发现反应的最佳温度为75℃,产率可以达到94.12%。
　　
　　3.碱式碳酸铜制备的最佳设计
　　
　　取60mL0.5mol·L-1CuSO4溶液和60mL0.5mol·L-1Na2CO3溶液分别放在75℃的恒温水浴锅中,几分钟后取出,将CuSO4溶液倒入Na2CO3溶液中,充分振荡待沉淀完全后,用蒸馏水洗涤沉淀数次,直到沉淀中不含SO42-为止,抽干。将所得产品在烘箱中烘干2h,待冷至室温后称量,并计算产率。实验结果如下表3所示:
　　
　　此实验温度探究最佳反应物配比:Na2CO3∶CuSO4=1∶1,最佳温度为75℃,在85℃下烘干2h,反应温度不能过高,如果温度高于75℃,产生褐色的CuO。若将Na2CO3溶液倒入CuSO4溶液中,不能充分反应,沉淀不彻底。沉淀完全后要反复清洗沉淀,然用pH试纸测试滤液中的pH值,pH=7左右确保将沉淀SO42-除完,如果有残留的SO42-,干燥时会有黑色物质产生。干燥时温度不易过高,否则会将Cu2(OH)2CO3分解。
　　
　　三、本实验注意事项
　　
　　1.反应最佳温度应为75℃,超过后会有褐色沉淀产生,在恒温时需要不停搅拌。
　　
　　2.沉淀要洗涤干净,滤液中pH=7左右SO42-除完。
　　
　　3.沉淀应在85℃时烘干2h以上,温度过高Cu2(OH)2CO3会受热分解。
　　
　　4.若反应后不能观察到暗绿色或淡蓝色沉淀产生,可将反应物保持原样(不可将滤液滤去),静置l~2天,再作观察。
　　
　　5.反应过程中不可将Na2CO3溶液倒入CuSO4溶液中,应用反滴法。
　　
　　6.本次实验用布式漏斗(非真空)。