用回收無水硫酸銅制備硫酸銅晶體的實(shí)驗(yàn)探究

翟志勇

摘要： 組織學(xué)生通過小組合作學(xué)習(xí)，帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，以學(xué)生實(shí)驗(yàn)后回收的無水硫酸銅為原料，采用重結(jié)晶方法制備硫酸銅晶體，使其達(dá)到能夠滿足實(shí)驗(yàn)室正常使用的要求。學(xué)生通過該實(shí)踐活動(dòng)，經(jīng)歷了自主、合作、探究等多種方式的學(xué)習(xí)實(shí)踐，取得了預(yù)期的成效。

關(guān)鍵詞： 無水硫酸銅; 重結(jié)晶法; 硫酸銅晶體

文章編號(hào)： 10056629（2020）06007503? 中圖分類號(hào)： G633.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題由來

結(jié)晶水合物中結(jié)晶水含量的測(cè)定是普通高中化學(xué)教材（滬科版）[1]中的定量實(shí)驗(yàn)之一。根據(jù)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[2]和教學(xué)基本要求[3]對(duì)此實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)水平的要求，屬于設(shè)計(jì)（C）層次。在學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)后，回收的無水硫酸銅一直沒有得到有效的處理，累積質(zhì)量已達(dá)到2500克。如何將其重新制成帶有五個(gè)結(jié)晶水的硫酸銅晶體再次利用？按照綠色化學(xué)理念，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)或?qū)嵺`活動(dòng)中，盡量多地體現(xiàn)“4R”原則，“Reduce——減量使用，Recycle——循環(huán)使用，Reuse——重新使用”都是其中要義。為此，我們專門組建綠色化學(xué)課題小組，以一個(gè)真實(shí)問題情景[4]為抓手，利用學(xué)生課余時(shí)間和學(xué)校對(duì)學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)室的契機(jī)，以小組合作學(xué)習(xí)的方式開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)[5]。

2 實(shí)踐過程

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

試管（25×180mm）、滴定管25mL、電子天平、稱量紙、無水硫酸銅（AR）、無水硫酸銅（回收）、蒸餾水、燒杯（25mL， 1000mL）、電爐（2000w）、石棉網(wǎng)、濾紙（Φ=8cm）、玻璃棒、DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集器、電腦、溫度探頭、DIS軟件）、不銹鋼藥匙、鑷子、研缽（Φ=6cm）

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

從上述反應(yīng)的化學(xué)方程式可知： 160g無水硫酸銅與90g水完全反應(yīng)，可以得到250g硫酸銅晶體。

據(jù)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室制取硫酸銅晶體的兩種方式： （1）直接將無水硫酸銅與水按照上述質(zhì)量比進(jìn)行混合，制取硫酸銅晶體。（2）根據(jù)硫酸銅晶體在不同溫度下溶解度不同（見表1）[6]，利用重結(jié)晶方法把無水硫酸銅先溶解制成熱飽和溶液，讓其自然冷卻、結(jié)晶。制取硫酸銅晶體。

2.3 實(shí)驗(yàn)探究

首先，通過百度學(xué)術(shù)搜索引擎，搜索關(guān)鍵詞“實(shí)驗(yàn)室利用回收無水硫酸銅”“制備硫酸銅晶體”，獲得3960條信息。經(jīng)過辨析，沒有發(fā)現(xiàn)與我們研究相關(guān)的有價(jià)值信息。其次，再通過專業(yè)網(wǎng)站，如“知網(wǎng)”“中國期刊網(wǎng)”“萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)”等查找上述關(guān)鍵詞。經(jīng)甄別后發(fā)現(xiàn)： 王明華[7]偏重于得到較大的硫酸銅晶體，運(yùn)用正交設(shè)計(jì)控制實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行研究。鄒洪炎，李秀林[8]在制取晶核及在晶體繼續(xù)增長(zhǎng)過程中選擇比室溫高出5～10℃進(jìn)行制作。盧宗右[9]通過使用棉線纏繞的方法，改變晶核的多少與分布，同時(shí)控制硫酸銅飽和溶液的溫度制取“心形”“燕子形”硫酸銅晶體。本課題組與之相比較，主要目的是將實(shí)驗(yàn)室回收的無水硫酸銅重新轉(zhuǎn)化成可重新使用的硫酸銅晶體，并不需要制成比較大的具有一定幾何形狀的晶體。

實(shí)驗(yàn)1 稱量大約1.600g無水硫酸銅回收樣品于小燒杯中，并使用滴定管向其中滴加0.90mL蒸餾水。平行實(shí)驗(yàn)做3次。實(shí)驗(yàn)記錄如表2所示。

三次實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差都比較小。說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，燒杯壁用手觸摸感覺比較熱。由此可知此反應(yīng)是放熱反應(yīng)。由于反應(yīng)放熱，帶走一部分水分，因此所得到的硫酸銅晶體的質(zhì)量都比其理論值要小，并且樣品與水反應(yīng)得到的硫酸銅晶體顏色藍(lán)白相間，沒有硫酸銅晶體（分析純）那么藍(lán)。

放熱究竟對(duì)于二者混合有多大影響？下面借用DIS實(shí)驗(yàn)的溫度探頭加以定量研究。

實(shí)驗(yàn)2 稱量大約1.600g無水硫酸銅（AR）于大試管中，并使用滴定管向其中滴加0.90mL（g）蒸餾水。進(jìn)行三次平行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)記錄如表3所示。

實(shí)驗(yàn)3 取無水硫酸銅回收樣品大約1.600g，重復(fù)實(shí)驗(yàn)2的操作步驟（操作步驟、實(shí)驗(yàn)記錄略）。

三次平行實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程中最高溫度分別為44.7℃、 58.3℃、 45.1℃。與表3無水硫酸銅（AR）所列溫度變化最大值比較，都顯得略低一些。實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3所得到硫酸銅晶體顏色相差不大。

綜合以上實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3的情況分析，得出如下初步結(jié)論：

結(jié)論1： 無水硫酸銅（AR）及樣品（回收）與水反應(yīng)都放出熱量，導(dǎo)致生成的硫酸銅沉淀的顏色沒有出現(xiàn)我們所應(yīng)該看到的純藍(lán)色晶體。

結(jié)論2： 從質(zhì)量守恒角度來看，無水硫酸銅與水反應(yīng)后的生成物質(zhì)量的減少，說明在反應(yīng)中有少量水被蒸發(fā)，導(dǎo)致生成的硫酸銅顏色不是純藍(lán)色的晶體，而是藍(lán)白相間的固體。

結(jié)論3： 直接使用無水硫酸銅與水混合制取硫酸銅晶體的方法，理論上可行，但在具體實(shí)踐中很難得到純凈的硫酸銅晶體。

既然直接使用無水硫酸銅與水混合無法制取硫酸銅晶體（特別是顏色要匹配）。那么能否利用重結(jié)晶方法，制取硫酸銅晶體呢？

實(shí)驗(yàn)4 （1）取適量的無水硫酸銅樣品（回收）于1000mL燒杯中，加入適量蒸餾水，放置于電爐上，進(jìn)行加熱溶解;小心地不斷攪拌，加熱至100℃，制成飽和溶液;然后停止加熱，取下靜置，放置24小時(shí)，讓其自然冷卻。（2）出現(xiàn)晶體之后，將上層溶液轉(zhuǎn)移至另一個(gè)大燒杯中，再重復(fù)操作步驟（1）。（3）將所得硫酸銅晶體用藥匙或鑷子刮下，平鋪在濾紙上，上面覆蓋一張濾紙，輕輕地將硫酸銅晶體表面用濾紙吸干（濾紙用過后，晾干后還可以反復(fù)使用）。（4）將吸干后的硫酸銅晶體放置研缽中輕輕研碎（如芝麻大?。胖糜诟稍锲髦?4h后，裝瓶即可。（5）剩余的硫酸銅飽和溶液另裝瓶備用。

經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)5個(gè)主要步驟，得到了我們預(yù)期的效果： 所制備的硫酸銅晶體顏色與其分析純的顏色基本一致。

3 結(jié)束語

指導(dǎo)學(xué)生利用課余時(shí)間，把普通中學(xué)實(shí)驗(yàn)室都會(huì)遇到的一個(gè)看似簡(jiǎn)單的真實(shí)問題以及解決問題的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，給予學(xué)生思考、創(chuàng)造和表現(xiàn)成功的時(shí)間和機(jī)會(huì)。促使學(xué)生帶著問題查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、開展實(shí)驗(yàn)探究。通過小組合作、實(shí)驗(yàn)探究、討論交流等多樣化方式解決問題[10]。在這樣的問題解決過程中學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得到培養(yǎng)和提升，生態(tài)文明的意識(shí)得到增強(qiáng)[11]。盡管實(shí)驗(yàn)過程看似簡(jiǎn)單，但其中蘊(yùn)含著豐富的學(xué)科教育內(nèi)涵。通過這次自主、合作、探究等形式的教學(xué)活動(dòng)，有效地促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，獲得了預(yù)期效果。

（參與課題研究成員有徐晟智、黃子揚(yáng)、徐靂申、陸黃懿、蔡祎宸、解欣悅等，在此一并表示感謝）

參考文獻(xiàn)：

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[5] http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html. 教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見.

[6] 顧翼東主編. 化學(xué)詞典[M]. 上海： 辭書出版社， 2003： 616.

[7] 王明華. 硫酸銅晶體的制備[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2003， （11）： 5.

[8] 鄒洪炎， 李秀林. 硫酸銅晶體制作探索[J]. 化學(xué)教育（中英文）， 1986， （6）： 35～36.

[9] 盧宗右. 硫酸銅結(jié)晶的趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （5）： 73～75.