绿色化学在硫酸铜制备实验中的应用

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摘要 分析了现有高校化学实验教材中主要二种五水硫酸铜制备方法的不足，并对其进行了改进。同时还运用乙醇―水体系使硫酸铜结晶，在有效结合绿色化学的理念下，取得了较好的实验结果。

关键词 硫酸铜 过氧化氢 氧化剂 结晶方法 绿色化学

五水硫酸铜的制备是无机化学中的一个综合性制备实验，该实验涉及加热、蒸发、结晶、提纯等无机化学实验基本操作，适合考察学生的综合实验素质，故常被高校化学实验课所青睐。由于铜是一种不太活泼的金属，在一般情况下不能与稀硫酸反应，故该实验必须加入适当的氧化剂才能顺利进行。

1 现有制备方法的分析

1.1 常见氧化法

1.1.1 硝酸氧化法

以浓硝酸为氧化剂，分多次逐步加入到铜屑与稀硫酸的混合物中，加热，使反应进行［1,2］。其反应原理如下：

3Cu+2HNO3+3H2SO4=3CuSO4+2NO+4H2O

在硝酸氧化法中，会产生大量有毒的NO气体，即使实验在通风橱中进行，也会对环境造成严重污染，影响师生身体健康。

1.1.2 空气氧化法

以空气为氧化剂，先将铜屑高温灼烧成氧化铜，再使其与稀硫酸反应生成硫酸铜［3,4］。反应原理如下：

2Cu＋O2=2CuO

CuO＋H2SO4=CuSO4＋H2O

在空气氧化法中，灼烧时间长达20 min，不仅浪费了大量能源，而且铜屑氧化反应往往进行的不充分，有一定量的铜屑不能完全被氧化，使硫酸铜产率下降。

1.2 结晶方法

几乎所有实验教材中均采用冷却硫酸铜热饱和溶液至室温的结晶方法，原因是硫酸铜的溶解度随温度变化较明显。但五水硫酸铜在室温时溶解度依然较大，其20℃时溶解度是100℃时的28%，30℃时溶解度是100℃时的33%。因此，即使在析出晶体后的母液中，仍然含有相当量的溶质，造成产品损失较多。硫酸铜的溶解度如表1所示。

笔者在夏天较高气温下做该实验时发现，直接降温结晶析出的硫酸铜晶体不多，效果并不理想。

2 改进方法

2.1 过氧化氢氧化法

2.1.1过氧化氢的强氧化性

过氧化氢在酸性条件下具有较强的氧化能力，φH2O2/H2O=1.763 eV，且其还原产物是水，不会给反应体系引入其他杂质，因此是一种比较理想的绿色氧化剂。以H2O2为氧化剂的反应原理如下：

Cu＋H2O2＋H2SO4=CuSO4＋2H2O

2.1.2 类Fenton试剂的形成

H2O2和Cu2+可以形成类Fenton试剂体系，而类Fenton试剂可以产生氧化性极强的•OH，其产生过程如下［5,6］：

Cu2+＋H2O2k1CuOOH+＋H+

CuOOH+k2Cu+＋1/2O2+•OH

Cu+＋H2O2k3Cu2+＋•OH＋OH-

Cu+＋•OHk4Cu2+＋OH-

•OH的产生对铜的氧化起到了一定的促进作用，可以使铜的氧化速率大大加快。

2.2 乙醇―水体系结晶法

由于在无机盐水溶液中加入能与水混溶且极性较小的溶剂通常可以降低无机盐在水中的溶解度，故本实验采取在硫酸铜热饱和溶液中加入适量乙醇的方法，以促进硫酸铜晶体的析出。但乙醇不宜加

入过多，否则得到的硫酸铜晶体将会非常细小，且晶形不规则［7］。由于乙醇在温度较高时挥发性较强，因此，一般以加入1.1~1.2倍体积的乙醇为宜。

3 实验操作

称取3.0 g铜屑于100 mL烧杯中,加入10 mL10%的Na2CO3溶液，加热煮沸，除去铜屑表面油污。倾去碱液，用蒸馏水将铜屑洗净(若用铜粉可省去碱洗的步骤)。在盛有铜屑的烧杯中加入18 mL3 mol/L的H2SO4，水浴加热，控制温度50℃左右，在20 min内缓慢滴加10%H2O2溶液，直至铜屑几乎完全溶解。反应过程中可见少量微小气泡，共消耗H2O2溶液约20 mL。充分反应后，逐滴加入0.5 mol/LNaOH，并不断测试溶液pH，直至溶液pH=4，抽滤，弃去不溶性杂质。然后将滤液转移到蒸发皿中，逐滴加入1 mol/LH2SO4，调节溶液pH=2。水浴加热至液体表面有晶膜出现，停止加热。加入约1.2倍体积的乙醇，冷却至室温，抽滤，称重，计算产率。

注意在添加乙醇的过程中，应先加入2 mL乙醇，并充分搅拌，然后逐渐加快添加乙醇的速度，防止溶液极性突然降低而造成硫酸铜晶核大量析出。乙醇要在5 min内加完。这样操作既可以有效阻止无定形硫酸铜粉末的产生，又可以减少乙醇在温度较高时因挥发而造成的损失。

实验数据如表2所示：

4 结语

根据以上数据，可以得出结论，以过氧化氢为氧化剂，并加入乙醇结晶的方法产率最高，产品外观为蓝色，晶形较完整，符合实验预期目标。虽然该法的药品成本略高，但整个实验过程既不会给产品引入新的杂质，也不会造成环境污染或能源大量浪费，完全符合绿色化学理念，值得在广大高校化学实验课程中推广和应用。

参考文献

［1］ 李生英,白林,徐飞编.无机化学实验.北京:化学工业出版社,2007:269-272

［2］ 侯振雨主编.无机及分析化学实验.北京:化学工业出版社,2004:104-106

［3］ 朱湛,傅引霞主编.无机化学实验.北京:北京理工大学出版社,2007:231-232

［4］ 周宁怀主编.微型无机化学实验.北京:科学出版社,2000:186-189

［5］ 徐夫元,守天顺,陈英文等.中南大学学报（自然科学版）,2007,38(3):480-485

［6］ 陈敏,许韵华,晋丽叶等.现代化工,2006,26:288-290

［7］ 张威,杨蔚.广东化工,2006,33(11):35-36