粗硫酸铜提纯.doc

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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Kθ sp= 4×10 –38，而氢氧化铜的Kθ 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
比色管标号
①号
②号
③号
移取0.010mg/mL Fe3+ 标准溶液的体积（mL）
1.00
3.00
6.00
相对应的Fe3+ 浓度（mg/mL）
0.010×(1/25)
0.010×(3/25)
0.010×(6/25)

附表2：产品纯度检验的判断标准
目视比色
产品中杂质铁的含量
产品的纯度等级
颜色比①号浅（含相同）
≤10ppm
一级
颜色比②号浅（含相同）
≤30ppm
二级
颜色比③号浅（含相同）
≤60ppm
三级
颜色比③号深
＞60ppm
四级

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

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