硫酸铜溶液与氨水反应的研究

硫酸铜溶液与氨水反应的研究

1 问题的提出

对于是否可以用CuSO4溶液与氨水反应制取Cu(OH)2,长期以来,有2种观点:傅鹰著《大学普通化学》(下)第562页和文献[1】及高中的许多资料中都认为该法是可行的;而尹敬执等合编《基础普通化学》(下)第565页及文献[2】中认为在CuSO4溶液中加入氨水,并不能得到Cu(OH)2沉淀。文献[2】中讲:“实际情况是,当加入氨水的量少时是生成绿色的碱式硫酸铜[Cu2(OH)2SO4或Cu4(OH)6SO4]沉淀;当加入氨水的量多时,沉淀又会溶解生成深蓝色的CuSO4•4NH3•H2O。因此,在CuSO4溶液中加入氨水,并不能得到真正的Cu(OH)2沉淀。”我们抱着存疑求真的态度,对是否可以用CuSO4溶液与氨水反应制取Cu(OH)2进行了实验探索,结论是:CuSO4 溶液与少量氨水反应生成的是碱式铜盐(如Cu2(OH)2 SO4);与过量氨水反应可以得到Cu(OH)2和碱式铜盐(如Cu2(OH)2SO4)的混合物。

2 实验部分

2.1 仪器和主要试剂

试管,烧杯,干燥器,离心机,漏斗,氨水(浓),盐酸(稀),40%乙醛,HNO3(稀),CuSO4,BaCl2,NaOH,H2SO4(浓),CaCl2,均为分析纯。

2.2 实验过程

配制CuSO4 溶液(饱和,1%,3%,6%,9%,12%),2.0 mol/L NaOH溶液,1.0 mol/L BaCl2 溶液各100 mL备用。

2.2.1 CuSO4 溶液与少量氨水反应

[实验1] 取20 mL饱和CuSO4 溶液于洁净小烧杯中,滴入5～7滴浓氨水,用玻璃棒搅拌使其充分反应,可观察到出现浅蓝色沉淀。将含有浅蓝色沉淀的液体用离心机分离后,用蒸馏水多次洗涤沉淀,至洗涤液中用1.0 mol/L BaCl2 溶液检验不出SO2-4离子为止,滤纸上得到浅蓝色沉淀物。

[实验2] 取少许上述浅蓝色沉淀于洁净试管中,用稀HCl溶解,然后再用1.0 mol/L BaCl2溶液检验,溶液中出现不溶于稀硝酸的白色沉淀,说明浅蓝色沉淀物中有

SO2-4存在。

[实验3] 取少许上述浅蓝色沉淀于洁净试管中,加入少量蒸馏水,振荡后在酒精灯火焰上加热液体至沸腾,不见有分解变黑生成CuO的现象发生,可以初步认

定浅蓝色沉淀物中不含Cu(OH)2(或含量极其少)。

[实验4] 取少许上述浅蓝色沉淀于洁净试管中,加入少量蒸馏水,后滴加20%的NaOH溶液,至沉淀刚好溶解,得深蓝色溶液([Cu(OH)4]2-),再加入6～10滴40%的乙醛溶液,最后在酒精灯火焰上加热液体至沸腾,片刻有砖红色沉淀生成(Cu2O)。这是由于与Cu(OH)2类似,在含有碱式铜盐沉淀的溶液中加入过量强碱,也能得到深蓝色溶液([Cu(OH)4]2-),该溶液与乙醛在加热的条件下能生成砖红色的沉淀。

以上实验可初步认定CuSO4 溶液与少量氨水反应生成的浅蓝色沉淀是碱式铜盐。

[佐证实验] 根据文献[2】,取一支洁净的试管,滴入10滴1.0 mol/L CuSO4 溶液,在不断振荡的条件下滴入2滴2.0 mol/L NaOH溶液,得浅蓝色的碱式铜盐沉淀。将此沉淀用蒸馏水多次洗涤,至洗涤液中用 1.0 mol/L BaCl2 溶液检验不出SO2-4为止。重复上述[实验2]、[实验3]、[实验4],所得结果相同。

2.2.2 CuSO4 溶液与过量氨水反应

[实验5 ] 在6个50 mL洁净的烧杯中分别加入20 mL不同浓度的CuSO4溶液,在不断搅拌下分别滴入浓氨水,至生成的沉淀刚好溶解,得到的全是深蓝色溶液,将各溶液分别分成相同的2组,然后把一组放在干燥器中,用浓硫酸吸收水和氨;把相同的另外一组置于通风厨中,实验观察记录见表1。

表1 CuSO4与过量氨水反应的情况

硫酸铜浓度硫酸铜用量浓氨水用量混和液现象

在干燥器内在通风厨中

10~15 h1天后2天后0.5 h后1 h后3 h后6 h后

①饱和10 mL至↓刚溶解深蓝溶液深蓝溶液稍有蓝↓有明显蓝↓深蓝溶液明显蓝↓大量蓝↓大量蓝↓

②12%10 mL至↓刚溶解深蓝溶液

③9%10 mL至↓刚溶解深蓝溶液

④6%10 mL至↓刚溶解深蓝溶液现象同上,只是蓝色沉淀的量随着CuSO4溶液浓度的降低减少。

⑤3%10 mL至↓刚溶解深蓝溶液

⑥1%10 mL至↓刚溶解深蓝溶液

将上述蓝色沉淀用蒸馏水多次洗涤,至洗涤液中用1.0 mol/LBaCl2溶液检验不出

SO2-4 为止,滤纸上得到浅蓝色沉淀物。

[实验6] 取①中少许浅蓝色沉淀于洁净试管中,用稀HCl溶解,然后再用1.0 mol/L BaCl2溶液检验,溶液中出现不溶于稀硝酸的白色沉淀,说明浅蓝色沉淀物中有SO2-4的存在。

[实验7] 取①中少许蓝色沉淀于洁净试管中,滴加20%的NaOH溶液,至沉淀刚好溶解,得到深蓝色溶液([Cu(OH)4]2-),再加入7～10滴40%的乙醛溶液,最后在酒精灯火焰上加热液体至沸腾,片刻有砖红色沉淀生成(Cu2O)。

[实验8] 取①中少许浅蓝色沉淀于洁净试管中,加入少量蒸馏水,振荡后在酒精灯火焰上加热液体至沸腾,片刻有灰棕色沉淀生成。说明该浅蓝色沉淀物中既含有加热可以分解为黑色CuO的Cu(OH)2,也含有加热不分解的浅蓝色的碱式铜盐。

[实验9] 分别取②～⑥中少许蓝色沉淀于洁净试管中,重复上述[实验6]至[实验8],所得结果相同。

[对比试验]取分析纯原装Cu(OH)2试剂少量于洁净试管中,加入少量蒸馏水,振荡后在酒精灯火焰上加热液体至沸腾,蓝色粉末迅速变成黑色沉淀(CuO)。

2.3 结论

(1)CuSO4 溶液与少量氨水反应生成的浅蓝色沉淀物是碱式铜盐(如Cu2(OH)2SO4等)。

(2)无论是稀CuSO4溶液,还是饱和CuSO4溶液都可以与过量氨水反应(按表1操作后)得到Cu(OH)2 和碱式铜盐(如Cu2(OH)2SO4)的混合物。按表1操作在向CuSO4溶液中滴加氨水时不要太快,至蓝色沉淀刚好溶解时为好,否则要置放更长时间。

3 分析与讨论

(1)向CuSO4溶液中加入少量氨水,得到浅蓝色的碱式铜盐【3】,以Cu2(OH)2SO4为例:

2CuSO4+2NH3•H2O =

(NH4)2SO4+Cu2(OH)2SO4↓

可认为其反应机理为:

NH3•H2OOH-+NH+4

Cu2++OH- [CuOH]+

2[CuOH]++SO2-4Cu2(OH)2SO4↓

由于NH3•H2O是弱电解质,电离出的OH-离子浓度很小(即使6 mol/L NH3•H2O,OH-离子的浓度也仅为0.01 mol/L)。当Cu2+离子与OH-离子结合生成[CuOH]+后,没有足够的OH-离子与[CuOH]+结合生成Cu(OH)2沉淀,只能生成溶解度较大的碱式铜盐(如Cu2(OH)2SO4)沉淀。碱式铜盐的组成因CuSO4、NH3•H2O的浓度及相对用量而异。

碱式铜盐具有对热的相对稳定性,它的悬浊液即使在长时间的煮沸条件下也不会分解变黑。而氢氧化铜则很容易分解,它的悬浊液在加热的条件下迅速分解变黑。

(2)在含有碱式铜盐沉淀的溶液中加入氨水,得到深蓝色溶液,这是因为生成了四氨合铜配离子【4】。

若向含有碱式铜盐沉淀的溶液中加入氨水,由于NH3的配位能力很强,碱式铜盐很容易溶解,得到含有深蓝色的四氨合铜配离子的溶液。若以Cu2(OH)2SO4为例: