实验十三  硫酸铜的提纯

一、实验目的

        1. 了解用重结晶法提纯物质的原理；

        2. 学习台天平的使用以及加热蒸发、重结晶等基本操作。

二、实验原理

可溶性晶体物质可用重结晶法提纯, 根据物质溶解度的不同, 一般可先用溶解、过滤的方法，除去易溶于水的物质中所含难溶于水的杂质， 然后再用重结晶法使少量易溶于水的杂质分离, 重结晶的原理是由于晶体物质的溶解度一般随温度的降低而减小, 当加热的饱和溶液冷却时, 待提纯的物质首先以结晶析出, 而少量杂质由于尚未达到饱和, 仍留在溶液中。

粗硫酸铜晶体中的杂质通常以硫酸亚铁、硫酸铁为最多, 当蒸发浓缩硫酸铜溶液时, 亚铁盐易被氧化为铁盐, 而铁盐易水解有可能生成 Fe(OH)₃ 沉淀, 混杂于析出的硫酸铜结晶中, 所以在蒸发过程中溶液应保持酸性。

        若亚铁盐或铁盐含量较多, 可先用过氧化氢 (H₂O₂ )将 Fe²⁺ 离子氧化为 Fe³⁺ 离子, 再调节溶液的 pH 值至约为 4, 使 Fe³⁺ 水解为 Fe(OH)₃ 沉淀而除去。

                  2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ = 2Fe³⁺ + 2H₂O

                  Fe³⁺ + 3H₂O = Fe(OH)₃ ↓ + 3H⁺

三、实验用品

1. 仪器

电子台天平，烧杯，量筒，铁圈，石棉铁丝网，布氏漏斗，硫酸铜回收瓶，抽滤瓶，酒精灯，铁架，蒸发皿，点滴板。

2. 试剂

H₂SO₄  (0.1mol/L)  固体硫酸铜， 氢氧化钠(0.5 mol/L), 过氧化氢 3%, pH 试纸

四、操作步骤

1. 称量和溶解

用电子台天平称量粗硫酸铜晶体 8 克, 放入已洗涤干净的 l00mL 烧杯中, 用量筒量取 35-40mL 水加入上述烧杯中。然后将烧杯放在石棉铁丝网上加热, 并用玻璃棒搅拌，当硫酸铜完全溶解时, 立即停止加热。

2. 沉淀

往溶液中加入 1.5mL 3% H₂O₂ 溶液, 加热, 逐滴加入 0.5 mol/L NaOH 溶液直至 pH ≈4( 用 pH 试纸检验)， 再加热片刻, 使红棕色 Fe(OH)₃ 沉降。

3. 过滤

将折好的滤纸放入漏斗中, 从洗瓶中挤出少量水湿润滤纸, 使之紧贴在漏斗内壁上。将漏斗放在漏斗架上。趁热过滤硫酸铜溶液, 滤液接受在清洁的蒸发皿中。从洗瓶中挤出少量水淋洗烧杯及玻璃棒, 洗涤水也必须全部滤入蒸发皿中。按同样操作再洗涤一次。将过滤后的滤纸及不溶性杂质投入废液缸中。

4. 蒸发和结晶

在滤液中加入 3-4 滴 lmol/L H₂SO₄ 使溶液酸化。然后在石棉铁丝网上加热、蒸发、浓缩〈勿加热过猛以防液体溅失〉至溶液表面刚出现蓝色固状物薄层时, 立即停止加热〈注意不可蒸干〉。 让蒸发皿冷却至室温或稍冷片刻,再将蒸发皿放在盛有冷水的烧杯上冷却, 使 CuSO₄?5H₂O 晶体析出。

5. 吸滤分离

将蒸发皿内CuSO₄?5H₂O晶体全部移到预先铺上滤纸的布氏漏斗中, 抽气过滤，尽量抽干, 并用干净的玻璃棒轻轻挤压布氏漏斗上的晶体, 尽可能除去晶体间夹带的母液。停止抽气过滤, 取出晶体, 把它摊在两张滤纸之间, 用手指在纸上轻压以吸干其中的母液。用台天平称量硫酸铜, 计算产率。最后将硫酸铜晶体放入塑料袋中（不要密封口子）。

五、思考题

       1. 溶解固体时加热和搅拌起什么作用 ?

2. 用重结晶法提纯硫酸铜, 在蒸发滤液时, 为什么加热不可过猛? 为什么不可将滤液蒸干?

       3. 过滤操作中应注意哪些事项 ?

    4. 除杂质铁时，为何要将Fe²⁺ 氧化为Fe³⁺ ？最后为何将pH调至4？偏高或偏低将产生什么影响？

第二篇：粗硫酸铜提纯

一、实验目的

（1）学习粗硫酸铜提纯的原理和方法，掌握水浴加热、常压过滤、减压过滤、蒸发浓缩结晶、重结晶等基本操作技能。

二、实验原理

1.粗硫酸铜提纯的原理

粗硫酸铜晶体中的主要杂质是Fe³⁺、Fe²⁺ 以及一些可溶性的物质如Na⁺ 等。

Cu²⁺ 与Fe³⁺ 的分离可以利用溶度积的差异，因为氢氧化铁的K^θ_sp= 4×10 ^–38，而氢氧化铜的K^θ_sp= 2.2×10 ^–20，当c(Fe³⁺) 降到10 ^–6 mol?L^－1时，

                    pH = 3.53

而此时溶液中允许存在的Cu²⁺ 量为

大大超过了CuSO₄?5H₂O的溶解度，所以Cu²⁺ 不会沉淀。从上述计算可以粗略看出，Cu²⁺ 与Fe³⁺ 是可以利用溶度积的差异，适当控制条件（如pH等），达到分离的目的。

由Cu(OH)₂与Fe(OH)₂的溶度积计算，Cu²⁺ 与Fe²⁺ 似乎也可以用分步沉淀法分离，但由于Cu²⁺ 是主体，Fe²⁺ 是杂质，这样进行分步沉淀会产生共沉淀现象（Cu(OH)₂沉淀吸附、包裹少量Fe²⁺ 杂质的现象），达不到分离目的。因此在本实验中先将Fe²⁺ 在酸性介质中用H₂O₂氧化成Fe³⁺ ：

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ = 2Fe³⁺ + 2H₂O

然后采用控制pH在3.7～4.0沉淀Fe³⁺，达到Fe³⁺、Fe²⁺ 与Cu²⁺ 分离的目的。从氧化反应中可见，应用H₂O₂作氧化剂的优点是不引入其它离子，多余的H₂O₂可利用热分解去除而不影响后面分离。

溶液中的可溶性杂质可采用重结晶方法分离。根据物质的溶解度不同，特别是CuSO₄?5H₂O晶体的溶解度随温度的降低而显著减少，当热的CuSO₄饱和溶液冷却时，CuSO₄?5H₂O先结晶析出，而少量易溶性杂质由于尚未达到饱和，仍留在母液中，通过过滤，就能将易溶性杂质分离。

2. 目视比色法检验产品的杂质含量（铁的含量）的原理

目视比色法是确定杂质含量的常用方法，在确定杂质含量后便能定出产品的纯度级别。将产品配成溶液，在比色管中加入显色剂显色、定容，与在同样条件下显色、定容的一系列不同浓度的标准溶液（标准色阶）进行颜色比较（方法是从管口垂直向下观察），如果产品溶液的颜色比某一标准溶液的颜色浅，就可确定杂质含量低于该标准溶液中的含量，即低于某一规定的限度，所以这种方法又称为限量分析。

由于本实验的产品溶液Cu²⁺本身有颜色，干扰Fe³⁺ 的比色观察，因此在比色检验前需要首先在产品溶液中加入过量的6mol?dm^–1氨水，使微量的Fe³⁺ 杂质沉淀、过滤分离出来，沉淀用热的2mol?dm^–1 HCl溶解后收集到比色管中，加入25% KSCN溶液显色（生成[Fe(SCN)_n]^3–n血红色络合物，n=1～6）、定容，然后与标准色阶比较，从而确定产品中杂质铁的含量范围。

三、仪器和药品

仪器：

150mL烧杯1个，100mL烧杯2个，玻璃棒2根，量筒（100mL、10mL）、洗瓶、玻璃漏斗（7.5cm）、蒸发皿（250mL）、布氏漏斗（8cm）、抽滤瓶（250mL）、铁架台、铁圈、石棉网各1个，比色管（25mL）、带刻度吸量管（5mL）各一支

电子天平、可调电炉、循环水式真空泵、同步热分析仪（STA 409 PC）

广泛pH试纸、定性滤纸（12.5cm、7cm）

药品：

2mol?L^–1 NaOH 、1mol?L^–1 H₂SO₄、2 mol?L^–1 HCl、6mol?L^–1 NH₃?H₂O、3% H₂O₂、25% KSCN、粗硫酸铜

四、实验步骤

1．粗硫酸铜的提纯

（1）称量和溶解

称取粗硫酸铜10g（混入0.03g硫酸亚铁、0.07g硫酸铁），放入150 mL洁净烧杯中，加入约40mL水，2mL 1mol?L^–1 H₂SO₄，加热、搅拌直至晶体完全溶解，停止加热。

（2）氧化和沉淀

边搅拌边往溶液中慢慢滴加约2mL 3% H₂O₂，加热片刻（若无小气泡产生，即可认为H₂O₂分解完全），然后边搅拌边滴加2mol?L^–1 NaOH溶液，直至溶液的pH≈3.7～4.0，再加热片刻，让Fe(OH)₃加速凝聚，取下，静置，待Fe(OH)₃沉淀沉降。

（3）常压过滤

先将上层清液沿玻璃棒倒入贴好滤纸的漏斗中过滤，下面用蒸发皿承接。待清液滤完后再逐步倒入悬浊液过滤，过滤近完时，用少量蒸馏水洗涤烧杯，洗涤液也倒入漏斗中过滤。待全部滤完后，弃去滤渣。

（4）蒸发浓缩和结晶

将蒸发皿中的滤液用1mol?L^–1 H₂SO₄调至pH 1～2后，加热蒸发浓缩（勿加热过猛，注意搅拌以免液体飞溅而损失），浓缩过程中注意用药匙刮下边缘上过早析出的晶体。直至溶液表面刚出现薄层结晶（晶膜）时，立即停止加热，让其自然冷却到室温（勿要用水冷），慢慢地析出CuSO₄?5H₂O晶体。

（5）减压过滤

待蒸发皿底部用手摸感觉不到温热时，将晶体与母液转入已放好滤纸的布氏漏斗中进行抽滤，用玻璃棒将晶体均匀地铺满滤纸，并轻轻地压紧晶体，尽可能抽去晶体间夹带的母液。停止抽滤，取出晶体，摊在滤纸上，再覆盖一张滤纸，用手指轻轻挤压，吸干其中的剩余母液。最后将吸干的晶体称重。

（6）重结晶

上述产品放于100mL烧杯中，按每克产品加3 mL蒸馏水的比例加入蒸馏水。加热，使产品全部溶解。趁热常压过滤，用蒸发皿承接滤液。滤液冷至室温，待其慢慢地析出CuSO₄?5H₂O晶体（若不析出晶体，可稍微小火加热蒸发浓缩滤液，直至溶液表面刚出现薄层结晶（晶膜）时，立即停止加热，让其自然冷却到室温）。减压过滤抽干，取出晶体，摊在滤纸上，用另一张滤纸轻轻挤压吸干其中的剩余母液，称重。

2. 产品中杂质含量（铁含量）的检验（目视比色法）

称取1.0g提纯后的产品于100mL烧杯中，用10mL水溶解，加入1mL 1mol?L^–1 H₂SO₄、1mL 3% H₂O₂，加热，使Fe²⁺ 完全氧化成Fe³⁺，继续加热煮沸，使剩余的H₂O₂完全分解。

取下溶液冷却后，逐滴加入6mol? L^–1氨水，先生成浅蓝色的沉淀，继续滴入6mol? L^–1氨水，搅拌直至沉淀完全溶解，呈深蓝色透明溶液。常压过滤，并用6mol?L^–1 氨水洗涤沉淀和滤纸至无蓝色，弃去滤液，滤纸上的沉淀用滴管滴入3mL热的2mol? L^–1HCl溶解，用25mL比色管承接。然后用吸量管移取2.00mL 25% KSCN溶液至比色管中，用水稀至刻度，摇匀，与标准色阶比较，确定产品的纯度等级。

附：系列标准溶液（标准色阶）的配制：（老师已预先配好）

称1.000g纯Fe粉，用40mL 1:1 HCl溶解，溶完后，滴加10% H₂O₂，直至Fe²⁺完全氧化成Fe³⁺，过量的H₂O₂加热分解除去，冷却后，移入1000mL 容量瓶中，以水稀至刻度，摇匀。此液为1.00mg Fe³⁺ /mL。

移取此液5.00mL于500mL容量瓶中，加入2mL1:1 HCl，以水稀至刻度，摇匀。此液为0.010mg Fe³⁺ / mL。

标准色阶配制（要求现用现配）：移取0.010 mg Fe³⁺ /mL标准溶液1.00mL、3.00mL、6.00mL，分别置于三支25mL比色管（分别标号①、②、③）中，加入3mL 2mol?L^–1 HCl，并用吸量管移取2.00mL 25% KSCN溶液至比色管中，用水稀至刻度，摇匀。

附表1：标准色阶中各比色管的Fe³⁺ 浓度

附表2：产品纯度检验的判断标准

注意事项

1、粗硫酸铜晶体要充分溶解：加热溶解时用玻璃棒搅拌，玻璃棒不能碰着烧杯壁；
2、pH值的调整（pH=4）：加入NaOH溶液调节pH值时，必须逐滴加并在搅拌均匀后再测pH值；
3、加入NaOH除三价铁离子时，要逐滴加入，pH要控制在4左右，防止氢氧化铜沉淀的生成；
4、浓缩、结晶程度的掌握：加热蒸发浓缩时火勿太大，以免溶液暴沸飞溅；
5、抽滤操作 （布氏漏斗装置减压过滤）：提纯后的晶体应用滤纸尽可能吸干水分；
6、氧化剂H2O2要稍过量，使杂质二价铁离子充分氧化