实 验 报 告
课程名称： 无机化学试验（1）
试验项目名称：粗硫酸铜提纯及产品纯度检验和热重分析
学院：化学和化工学院
专业：
指导老师：
汇报人： 学号： 班级：
试验时间：
试验汇报提交时间：
教务处制
一、试验目标
（1）学习粗硫酸铜提纯原理和方法，掌握水浴加热、常压过滤、减压过滤、蒸发浓缩结晶、重结晶等基础操作技能。
（2）学习采取目视比色法检验产品中杂质含量（关键是铁含量），确定产品纯度等级。
（3）了解热重分析基础原理和同时热分析仪使用方法，学会经过分析热重曲线图推断硫酸铜晶体受热逐步脱去结晶水过程，并探讨结晶水在晶体内部不一样结合方法。
二、试验原理
1. 粗硫酸铜提纯原理
粗硫酸铜晶体中关键杂质是Fe3+、Fe2+ 和部分可溶性物质如Na+ 等。
Cu2+ 和Fe3+ 分离能够利用溶度积差异，因为氢氧化铁Kθ sp= 4×10 –38，而氢氧化铜Kθ sp= 2.2×10 –20，当c(Fe3+) 降到10 –6 mol?L－1时，
pH = 3.53
而此时溶液中许可存在Cu2+ 量为
大大超出了CuSO4?5H2O溶解度，所以Cu2+ 不会沉淀。从上述计算能够粗略看出，Cu2+ 和Fe3+ 是能够利用溶度积差异，合适控制条件（如pH等），达成分离目标。
由Cu(OH)2和Fe(OH)2溶度积计算，Cu2+ 和Fe2+ 似乎也能够用分步沉淀法分离，但因为Cu2+ 是主体，Fe2+ 是杂质，这么进行分步沉淀会产生共沉淀现象（Cu(OH)2沉淀吸附、包裹少许Fe2+ 杂质现象），达不到分离目标。所以在本试验中先将Fe2+ 在酸性介质中用H2O2氧化成Fe3+ ：
2Fe2+ + H2O2 + 2H+ = 2Fe3+ + 2H2O
然后采取控制pH在3.7～4.0沉淀Fe3+，达成Fe3+、Fe2+ 和Cu2+ 分离目标。从氧化反应中可见，应用H2O2作氧化剂优点是不引入其它离子，多出H2O2可利用热分解去除而不影响后面分离。
溶液中可溶性杂质可采取重结晶方法分离。依据物质溶解度不一样，尤其是CuSO4?5H2O晶体溶解度随温度降低而显著降低，当热CuSO4饱和溶液冷却时，CuSO4?5H2O先结晶析出，而少许易溶性杂质因为还未达成饱和，仍留在母液中，经过过滤，就能将易溶性杂质分离。
2. 目视比色法检验产品杂质含量（铁含量）原理
目视比色法是确定杂质含量常见方法，在确定杂质含量后便能定出产品纯度等级。将产品配成溶液，在比色管中加入显色剂显色、定容，和在一样条件下显色、定容一系列不一样浓度标准溶液（标准色阶）进行颜色比较（方法是从管口垂直向下观察），假如产品溶液颜色比某一标准溶液颜色浅，就可确定杂质含量低于该标准溶液中含量，即低于某一要求程度，所以这种方法又称为限量分析。
因为本试验产品溶液Cu2+本身有颜色，干扰Fe3+ 比色观察，所以在比色检验前需要首先在产品溶液中加入过量6mol?dm–1氨水，使微量Fe3+ 杂质沉淀、过滤分离出来，沉淀用热2mol?dm–1 HCl溶解后搜集到比色管中，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，然后和标准色阶比较，从而确定产品中杂质铁含量范围。
3. 热重分析原理介绍
热分析技术是一类在程序温度控制下，跟踪物质物理性质和温度关系技术，可经过测量物质在受热或冷却过程中物理性质参数（如质量、反应热、比热、膨胀系数等）随温度改变情况，研究物质组分、状态、结构及其它物化性质，评定材料耐热性能，探索材料热稳定性和结构关系等。常见热分析方法有热重分析法（TG）、差热分析法（DTA）、差示扫描量热法（DSC）等。
热重分析法（Thermogravimetry，简称TG）是在程序温度控制下，测量物质质量和温度关系一个技术。由TG试验取得曲线，称为热重曲线（或TG曲线），它是以质量为纵坐标（由上到下质量降低），以温度（或时间）为横坐标（由左到右增加）。由TG能够派生出微商热重法（Derivative Thermogravimetry，简称DTG），它是TG曲线对温度（或时间）一阶导数。热重分析法突出特点是定量性强，能正确测定物质质量随温度改变及改变速率。
很多离子型盐类从水溶液中析出时，常含有一定量结晶水，结晶水和盐类结合得比较牢靠，但受热到一定温度时，能够脱去结晶水一部分或全部。因为压力、粒度、升温速率不一样，有时能够得到不一样脱水温度及脱水过程。
本试验将利用同时（综合）热分析仪对提纯试验产品进行热重分析，同时（综合）热分析仪可同时提供TG、DTG、DSC曲线图谱，经过对这些曲线图谱综合分析，推断硫酸铜晶体受热在不一样温度下逐步脱去结晶水过程，并探讨这些结晶水在晶体内部不一样结合方法（比如配位键、氢键等）。
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、同时热分析仪（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、试验步骤
1．粗硫酸铜提纯
（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，用少许蒸馏水洗涤烧杯，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，将晶体和母液转入已放好滤纸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，吸干其中剩下母液。最终将吸干晶体称重。
（6）重结晶
上述产品放于100mL烧杯中，按每克产品加3 mL蒸馏水百分比加入蒸馏水。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剩下母液，称重。
2. 产品中杂质含量（铁含量）检验（目视比色法）
称取1.0g提纯后产品于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，使剩下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，滤纸上沉淀用滴管滴入3mL热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，和标准色阶比较，确定产品纯度等级。
附：系列标准溶液（标准色阶）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Fe3+ 浓度
比色管标号
①号
②号
③号
移取0.010mg/mL Fe3+ 标准溶液体积（mL）
1.00
3.00
6.00
相对应Fe3+ 浓度（mg/mL）
0.010×(1/25)
0.010×(3/25)
0.010×(6/25)
附表2：产品纯度检验判定标准
目视比色
产品中杂质铁含量
产品纯度等级
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
3. 产品热重分析
取少许提纯后产品，放入同时热分析仪进行热重分析，升温速率10℃ / min 。打印TG曲线图。
五、试验统计和结果
1. 粗硫酸铜提纯
产品外观（颜色、状态）：
产量：
重结晶前： 重结晶后：
回收率：
重结晶前： 重结晶后：
2. 产品纯度检验
产品中杂质铁含量：
经目视比色，产品溶液颜色比标准色阶中标号 浅（含相同）
而标号 相当于铁含量为： = ppm
∴产品中杂质铁含量 ≦
产品纯度等级：
3. 产品热重分析
附 热重曲线图：
热重曲线图分析：
1.理论上若硫酸铜晶体中5个结晶水完全失去，总失重率为多少？
2.由样品热重曲线图可推断，样品失重分为多个阶段进行？每段失重率是多少？总失重率是多少？和理论值相比，可推断样品失重是由什么原因引发？
3.每段失重对应温度范围是多少？焓变分别是多少？是放热还是吸热过程？
4.每段失重相当于失去多个结晶水？写出推算过程。
5.用反应简式表示样品失重过程。
6.（附加题）若你对硫酸铜晶体空间结构有了解，初步判定在每段失重中所脱去结晶水对应空间位置，并解释硫酸铜晶体逐步脱去结晶水原因。
六、结果分析和问题讨论
1. 在加入H2O2氧化Fe2+ 时，为何要边搅拌边慢慢滴加？若Fe2+ 氧化不完全，对试验有何影响？
2. 在除硫酸铜溶液中Fe3+ 时，为何要调整pH ≈ 3.7～4.0？pH值太大或太小有什么影响？
3. 结合本人试验结果，分析本试验回收率过高或偏低原因。
4. 结合本人产品纯度检验结果，你认为哪些步骤是影响提纯效果关键性步骤？哪些步骤需要深入探讨或改善？
（你还能够提出更多和本试验相关问题，进行更深入讨论）
七、试验结论
（扼要表述试验结果，并对试验进行扼要总结，指出试验关键收获和不足之处，对现行试验方案有何改善意见等）
指导老师批阅意见：
成绩评定：
指导老师签字：
年 月 日
备注：
推荐访问:实验报告 硫酸铜 提纯 模板 粗硫酸铜提纯实验报告统一标准模板答案