“比色法測定銅礦石中銅的含量”的案例分析

摘要：案例以紅墨水的小實驗引入比色法，側重以目視比色法測定模擬的銅礦石粉末中銅的含量，然后以分光光度法等方法分析實驗誤差。案例把中學基礎化學實驗技能“配置一定物質的量濃度的溶液”、比色法和社會生產聯(lián)系在一起，循序漸進地引導高中學生全面體驗比色法實驗。

關鍵詞：銅礦石中銅的含量；比色法；目視比色法；分光光度法

文章編號：1005–6629（2013）12–0053–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 實驗方案簡介

為了判斷礦石是否值得開采，就要測定礦物質的含量。銅礦石的主要成分是碳酸銅。實驗室有多種方法測定銅礦石中銅的含量。與其他方法相比，目視比色法方法簡單，操作簡便迅速。目視比色法和傳統(tǒng)的重量法的流程對比見圖1。

2 實驗儀器和試劑

電子天平（精確到0.001 g）、250 mL燒杯、100 mL燒杯、50 mL量筒、10 mL量筒（二個）、漏斗、洗瓶、15×150 mm小試管（七個、材質相同）、100 mL容量瓶、250 mL錐形瓶、玻璃棒、濾紙、膠頭滴管、藥匙、2 mol/L稀硫酸、五水合硫酸銅晶體、模擬的銅礦石粉末（2.0 g碳酸銅粉末和8.0 g沙子的混合物，教師自制）、蒸餾水、護目鏡。實驗時戴護目鏡（稀硫酸有腐蝕性，反應產生氣體，同時也形成細小的酸霧，會傷害眼睛）。

3 實驗原理

表1紅墨水的小實驗中，按照溶液顏色由深到淺排列試管，順序為B>C>A=D，按照溶液濃度由大到小排列試管，順序為B>C>A=D。這說明溶液的顏色深淺和濃度有關，在一定條件下，溶液的顏色愈深，濃度愈大。同種溶液顏色相同，那么濃度就相同。比較溶液顏色深淺來測定有色物質含量的方法叫比色法。比色法實質是利用有色溶液對可見光的吸收來測定物質含量。比色法分為目視比色法和分光光度法，都以朗伯-比爾定律（Lambert-Beer’s law）為基礎[1]。目視比色法是用人眼比較有色溶液的顏色深淺以確定物質含量；分光光度法是通過測定被測物質在特定波長處或一定波長范圍內光的吸光度，對該物質進行定性或定量分析的方法。光的范圍從可見光擴展到紫外區(qū)和近紅外區(qū)。它在現(xiàn)代科學研究和生產中發(fā)揮了重要的作用。比色法主要包括配制待測溶液，配制標準溶液色階和比色三個操作步驟[2]。

4 實驗操作步驟

（1）配制標準溶液色階

①稱25.0 g五水合硫酸銅晶體，配制100 mL 的1 mol/L硫酸銅標準溶液。把溶液轉移至試劑瓶中，貼好標簽。

②取6只小試管編號。按照表2，用1 mol/L的硫酸銅標準溶液配制成6種濃度的溶液。

③計算表2中銅離子的濃度，忽略溶液混合后的體積變化。

（2）配制待測溶液

①稱取10.0 g銅礦石粉末，放入250 mL燒杯中。

②向燒杯倒入40 mL稀硫酸，混合物不要溢出燒杯。

③反應結束后，過濾混合物。漏斗內貼好濾紙，放置在錐形瓶口上，錐形瓶承接濾液。

④向濾液中加入蒸餾水使待測溶液的體積為100mL。

⑤ 7號試管裝10 mL待測溶液。

（3）比色

對比7號試管和硫酸銅標準溶液色階，找出顏色最接近的試管。比色時有兩種方法：方法1，在試管底部墊白紙，向下俯視試管口；方法2，在試管側面放白紙，從另一側面觀察顏色。7號試管的顏色介于4號和5號試管之間。

（4）計算，確定銅礦石中銅的含量

因為4號試管中銅離子濃度為0.2 mol/L，那么，根據(jù)比色法原理，與它顏色相同的待測溶液，銅離子濃度也是0.2 mol/L。實驗中待測液的濃度為4號試管和5號試管的平均值0.15 mol/L。從實驗可知溶液的體積為100 mL，樣本的質量為10.0 g。假設10.0 g樣本中銅的質量為x g，則

所以銅礦石樣本中銅的質量為0.96 g，銅的含量為9.6%。

以此類推，計算與各標準色階試管顏色相同的銅礦石中銅的質量，完成表格3。

5 誤差分析

有兩種方法計算樣本中銅的含量，分析誤差。

（1）碳酸銅化學式中銅的質量百分比計算樣本含量。10.0 g銅礦石樣本有2.0 g碳酸銅粉末和8.0 g沙子。理論上，樣本中銅的質量m（Cu）=2.0× =1.03 g，樣本中銅的含量為10.3%。實際上，碳酸銅的化學式為CuCO3·xH2O，目前無法生產出純凈的碳酸銅，碳酸銅粉末含有其他雜質。所以方法1的結果僅是理想的理論值，沒有參考價值，但它提供了一種分析實驗數(shù)據(jù)的方法。

（2）分光光度法測定樣本中銅的含量。分光光度法是化學實驗室痕量分析最常用的手段，相對誤差小于1%。紫外光-可見光分光光度儀分析標準溶液色階和待測溶液的圖形見圖2，x軸是光的波長，單位nm，y軸是光的吸光度，從上而下依次為1，2，3，4，5號試管中溶液的工作曲線。6號試管中是蒸餾水，圖形與基線重合，所以沒有顯示。

圖2表明，分光光度儀不能分析出濃度相對較高的1～3號試管的吸光度峰值，這說明分光光度法只適于微量的測定。待測溶液的峰值在4號試管和5號試管之間。采集有效數(shù)據(jù)后作圖測定出待測溶液的濃度為0.145 mol/L，見圖3。分光光度法的實驗結果是10.0 g樣本中銅的質量為0.93 g，銅的含量為9.3%。這個結論和目視比色法很接近。

實際操作中很多因素都能造成誤差：銅礦石粉末可能沒有和硫酸充分反應；銅離子在轉移中損耗；試管的顏色影響比色；人的視覺有差別。如有些同學比色時認為待測液和4號、5號甚至3號試管顏色接近。比色不準則失之毫厘謬以千里。目視比色法操作簡便迅速，但受主觀影響很大，誤差較大。分光光光度法比目視比色法更精確更可靠。隨著科技的不斷進步，現(xiàn)在礦石中銅的含量只要達到0.4%～0.5%就可以開采了，但還要考慮很多外部條件。

6 實驗評析

這個實驗是英國《經(jīng)典化學實驗》中的案例[3]，筆者在教學時根據(jù)我國的實際情況進行了改進和擴充，循序漸進地引導高中學生全面體驗比色法實驗。這個案例的教學要合理安排實驗操作流程。過濾的時間約30分鐘，這段時間穿插“配置1 mol/L的硫酸銅標準溶液”。英國實驗操作技法與我國有不同之處。計算加深了學生對比色法原理的理性認識。

這個實驗案例設計突破常規(guī)思維就重避輕?！爸亍睂W生認知和能力培養(yǎng)，新的化學知識都建構在學生已有的知識基礎上，有效培養(yǎng)學生的探究能力和掌握新實驗方法的能力。待測物質的模擬配方合理，確保學生實驗過程順利展開。“輕”實驗細節(jié)，如忽略兩種溶液混合時的體積變化，忽略碳酸銅中的其他成分，忽略目視比色法的較大誤差。這個實驗雖然降低了精確度，但增強了可行性。它儀器簡單，操作簡便，發(fā)揮了承上啟下的教學功能，把中學基礎化學技能“配置一定物質的量濃度的溶液”、目視比色法、分光光度法和社會生產聯(lián)系在一起，不失為一個優(yōu)秀的實驗案例。

參考文獻：

[1]吳性良等.分析化學原理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004：298～302.

[2]人民教育出版社課程教材研究所.高中課程標準實驗教科書·實驗化學（化學選修6）[M].北京：人民教育出版社，2005：46～49.

[3][英] Kevin Hutchings. Classic Chemistry Experiments. London： The Royal Society of Chemistry，2000：185～188.