无机化学实验之碱式碳酸铜的制备—设计实验

碱式碳酸铜的制备—设计实验（2人一组）
一、实验目的与要求：
1. 通过碱式碳酸铜制备条件的探求和生成物颜色，状态的分析，研究反应物的合理配料比并确
定制备反应合适的温度条件。

2. 培养独立设计实验的能力。

二、教学重点与难点：
通过碱式碳酸铜制备条件的探求，培养独立设计实验的能力。

三、教学方法与手段：讲授法；演示法
四、教学课时: 4课时
六、教学内容：
[碱式碳酸铜的性质]：
①、天然孔雀石的主要成分，呈暗绿色或淡蓝色，相对密度4.0，
②、加热至200℃即分解
③、在水中的溶解度很小，溶于稀酸、氨水或碱金属的氧化物。

④、新制备的试样在沸水中易分解：Cu 2(OH)2CO 3═CuO↓+H 2O+CO 2↑
[实验原理]
2 CuSO 4＋2 Na 2CO 3＋H 2O ═ Cu 2(OH)2CO 3↓＋2Na 2SO 4＋CO 2↑
碱式碳酸铜 Cu2(OH)2CO 3为暗绿色或淡蓝绿色晶体。

将铜盐和碳酸盐混合后，由于Cu(OH)2 和CuCO 3二者溶解度相近，同时达到析出条件，同时析出。

[正交实验]: 科研生产中如何使用正交实验确定反应条件的优化？先固定浓度0.5/0.5, 然后0︒C ，20︒C ，50︒C ，70︒C ，100︒C ，确定最佳温度，然后在最佳温度下，反应物料的配比1：1，1/2，1/3，1/4。

反应物是用CuCl 2/Cu(NO 3)2/CuSO 4？
【实验步骤】：
一、反应物溶液的配制
配制0.5mol.L -1的CuSO 4溶液和0.5mol.L -1的Na 2CO 3各100ml.
注意观察CuSO 4和Na 2CO 3有无结晶水。

可以用烧杯粗略配制，不需用容量瓶！
二、反应条件的探求：
例如：①、合适配比；②、温度；③、反应物种类；④、反应时间
1、CuSO 4和Na 2CO 3溶液的合适配比
在四支试管中分别加入2.0ml ，0.5 mol.L -1CuSO 4溶液，再分别取0.5 mol.L -1Na 2CO 3溶液1.6ml ，2.0ml ，
2.4ml ，2.8ml 依次加入另四支配号试管。

将8支试管放于75︒C 恒温水浴中。

几分钟后，将CuSO 4分别倒入Na 2CO 3溶液中，振荡试管，比较各试管中沉淀生成的速度，沉淀的数量及颜色，从中得出何种比例为佳。

注意：（1）、试管需要编号；
（2）、恒温水浴锅用温度计测量温度，因为仪器本身指示温度不准确。

(3)、CuSO 4分别倒入Na 2CO 3溶液中，混合后，振荡试管后，仍需要放置到水浴锅中加热反应
一段时间才能观察到有效沉淀（降），否则胶状不容易观察。

2、反应温度的探求
在三支试管中，各加入2.0ml ，0.5 mol.L -1 CuSO 4溶液，另取三支试管，各加入由上述实验得到的合适用量的0.5 mol.L -1Na 2CO 3溶液。

将这两列试管中各取一支，将它们分别置于50︒C ，100︒C 的恒温
水浴中，数分钟后将CuSO4倒入Na2CO3中振荡并观察现象。

（1）、100︒C的样品直接由75︒C加热而成。

节约能源！
（2）、75︒C的不需要再做了，上面在探讨合适的配比时已经做过了。

（3）、严格来讲，还需做其它的温度和其它的配比？本次选择65︒C作为最佳温度。

（4）、沉淀完全的标志：上面一层达到澄清。

温度太低，反应速率很慢；温度很高，不利于结晶和颗粒度的形成，同时有可能会分解产生CuO 的黑色沉淀。

因此温度T小于100︒C。

三、碱式碳酸铜的制备
取60ml，0.5 mol.L-1CuSO4溶液，根据反应物合适比例及适宜温度制取碱式碳酸铜。

待沉淀完全后，用蒸馏水洗涤沉淀数次，直到沉淀中不含SO42-为止，吸干，100︒C烘干。

计算产率。

在水中分解温度很低，但在干态100︒C还不会分解，所以产品可以用烘箱100︒C烘干！
【产品介绍】：若得到的产品是蓝色是Cu(OH)2, 只有绿色/蓝绿色的才是产物。

[自己所做的一些探讨]：
一、关于反应比例
以下实验，均取2.0ml 0.5mol/LCuSO4溶液。

将CuSO4倒入Na2CO3 溶液中。

均有大量气泡产生，反应剧烈。

（1）、NaCO3取1.0ml。

第一次：淡绿色晶体，↓很细小，产量也少。

与其余相比较量最少。

第二次：不生成凝胶，为淡绿色晶体（略带盛），上层清液为蓝色，量最少，与第一次相比较，↓颜色基本相同，溶液是淡蓝，但↓比第一次多。

（2）、Na2CO3取1.6ml。

第1次：淡蓝白色↓，产量较大。

径放置24h，由原来的淡蓝白色较为蓝绿色细小↓，在（1）到（4）中产量最多。

（1）与（2）的清液都显淡蓝色，（1）更蓝一点。

第2 次：淡蓝白色↓，未振荡时局部有一黑色斑点，振荡后消失，↓产量较大，径放置，↓降到底点为淡蓝色细小↓。

放置24h 再看，仍为淡蓝色↓，产量很大（最），清液略显蓝色，与第1 次比较，此次主显淡蓝色，看不到绿色。

但第一次做的主要显绿色，产量也没第二次多。

（3）、Na2CO3取2.0ml。

第一次：刚开始时生成↓的颜色与（2）中第一次相近，经放置一会，由蓝色转为绿色细小↓，产量较大。

第二次：刚加入就生成蓝白↓，下部有黑色↓量较多（未振荡前），振荡后为灰蓝色↓，经放置转为细小的绿色↓，产量较多。

放置24h，没变化。

三次相比较，↓颜色及溶液颜色分不出区别，但第2 次的产量大于其他。

第三次：不同上面的是，一经加入即振荡没有生成黑色↓，↓为淡蓝白色。

放置一会也不变色。

放入水浴中加热煮沸，很快由淡蓝转为绿色↓。

放置24h，无多大变化。

（4）、Na2CO3溶液取2.6ml
第一次：刚加入CuSO4时即刻生成蓝绿色胶体，中间夹有褐色点，径振荡放置，褐色点消失，↓为绿色与（3）中第一次相同。

但产量比（3）少。

第二次：即生成凝胶，下部为黑色上部为蓝色，经振荡为灰蓝色，产量较大，放置1h左右，逐渐转为绿色，但带有灰色。

放置24h 显绿色，与（3）第一次相比较，略带蓝色，产量比（3）一大，几乎与（2）一差不多。

第三次：来不及振荡即上部蓝下部黑↓，振荡后为灰蓝色，产量大。

经水浴加热煮沸，变为灰黑色并沉降。

放置24h，主要显灰土色，但带有一点绿色。

三次相比较，第一次产量少，色较第二次沉淀绿，第二次↓量大，但绿中显蓝；第三次量大，但显灰土色。

（5）、Na2CO3溶液取3.8ml刚加入CuSO4时即生成凝胶，上部显蓝色，下部主要为黑色，经放置振荡，凝胶转为↓且全为黑色。

二、关于温度的影响
0.5mol/L (2mlCuSO4 +2.1mlNa2CO3)
1、将(5)中产生的↓洗涤3 次：
（1）黑↓+ 2mol.L 1HCl→溶液显淡蓝色渍液，有较多的小气泡溢出。

（2）黑↓+ 2mol.L 1H2SO4→↓立即溶解，淡蓝色透明液，有大量小气泡放出。

（3）将黑↓烘干，外焰加热一会，再加2MHCl↓溶解为淡色液，但没有看到有气泡溢出。

2、2ml 0.5mol/L CuSO4 +3 mol 2MNaOH 沸水浴立即生成褐黑色凝胶，颜色比上述颜色深得多。

（1）褐黑胶状↓+2MHCl→↓溶解，为淡蓝色透明液，无小气泡放出。

（2）褐黑胶状↓+2M H2SO4→现象同上，淡蓝色。

[结论]：黑色↓应是CuO. Cu(OH) 2 和CuCO3 对热不稳定，易受热分解。

三、反应时间
从学生实验过程来看，将反应比及时间固定下来后制备碱式碳酸铜，几乎全部学生得到的是蓝色胶状↓，混合后也不再搅拌而是等待一会后抽滤，产品为深蓝色不再转变。

我让部分学生保持加热条件下搅拌，大多得到淡绿色细小↓。

最特别的是：一个学生产品为暗蓝色，我使之垫石棉网Δ，不到10mm，转变为深绿色↓并沉降至烧杯底部。

总之，混合后必须加热一段时间。

【思考题】：
1．反应温度，配比对实验的影响？
答：反应温度的高低，反应配比的大小会影响反应的速度以及生成沉淀的多少，并且在100℃以上时，新生成的沉淀容易分解。

2．Na2CO3溶液倒入CuSO4溶液时，结果会有何不同？
答：两者可能发生的反应：
a: 2Na2CO3+CuSO4+2H2O═Cu(OH)2↓+Na2SO4+NaHCO3
b: 2Na2CO3+CuSO4+3H2O═CuCO3·Na2CO3·3H2O↓+ Na2SO4
c: 2Na2CO3+2CuSO4+H2O═Cu2(OH)2CO3↓+2Na2SO4+CO2↑
d: 12Na2CO3+7CuSO4+10H2O═2CuCO3·5Cu(OH)2↓+7Na2SO4+10 NaHCO3
3. 反应温度在什么时候会出现褐色产物？这种物质是什么？
答：褐色物质是新制的碱式碳酸铜分解出来的氧化铜，在溶液沸腾的时候会出现。

4．应物的种类、反应进行的时间等因素是否会对产物的质量会有影响？
答：有影响，因为反应进行的程度与反应时间直接有关，反应的种类直接影响生成物的组成。

5．自行设计实验，测定产物铜及碳酸根的含量，从而分析所制得碱式碳酸铜的质量。

答：首先通过碱式碳酸铜的分解反应Cu2(OH)2CO3═ CuO+H2O+CO2可以知道生成的碱式碳酸铜的物质的量，其次通过测定氧化铜的还原反应可以知道生成铜的物质的量CuO+ H2═Cu+H2O，通过这两个实验可以求出铜和碳酸根的含量。

【补充资料——若干方法制备碱式碳酸铜】
1、由Na 2CO 3·10H 2O 跟CuSO 4·5H 2O 反应制备
①、根据CuSO 4跟Na 2CO 3反应的化学方程式进行计算，称取14g CuSO 4·5H 2O ，16g Na 2CO 3·10H 2O(或6g 无水Na 2CO 3)；
②、用研钵分别研细后再混合研磨，此时即发生反应，有产生气泡的声音，而且混合物吸湿很厉害，很快成为“粘胶状”；
③、将混合物迅速投入200 mL 沸水中，快速搅拌并撤离热源，有蓝绿色沉淀产生；
④、抽滤，用水洗涤沉淀，至滤液中不含SO 42-
为止，取出沉淀，风干，得到蓝绿色晶体。

该方法制得的晶体，主要成分是Cu 2(OH)2CO 3 ，因反应产物与温度、溶液的酸碱性等有关，因而同时可
能有蓝色的2CuCO 3·Cu(OH)2、2CuCO 3·3Cu(OH)2 和2CuCO 3·5Cu(OH)2 等生成，使晶体带有蓝色。

如果把两种反应物分别研细后再混合（不研磨），采用同样的操作方法，也可得到蓝绿色晶体。

2 CuSO 4＋2 Na 2CO 3＋H 2O ═ Cu 2(OH)2CO 3↓＋2Na 2SO 4＋CO 2↑
250（含结晶水）286（含结晶水） 222
14 16 12.4g
2、由Na 2CO 3·10H 2O 跟CuSO 4·5H 2O 反应制备
根据CuSO 4跟Na 2CO 3反应的化学方程式。

2CuSO 4+2Na 2CO 3+H2O==Cu 2(OH)2CO 3↓+2Na 2SO 4+CO 2↑进行计算，称取14gCuSO 4·5H 2O ，16gNa 2CO 3·10H 2O ，用研钵分别研细后再混合研磨，此时即发生反应，有“磁磁”产生气泡的声音，而且混合物吸湿很厉害，很快成为“粘胶状”．将混合物迅速投入200mL 沸水中，快速搅拌并撤离热源，有蓝绿色沉淀产生．抽滤，用水洗涤沉淀，至滤液中不含SO 42-为止，取出沉淀，风干，得到蓝绿色晶体．该方法制得的晶体，它的主要成分是 Cu 2(OH)2CO 3，因反应产物与温度、溶液的酸碱性等有关，因而同时可能有蓝色的2CuCO 3·Cu(OH)2、2CuCO 3·3Cu(OH)2和2CuCO 3·5Cu(OH)2等生成，使晶体带有蓝色．如果把两种反应物分别研细后再混合（不研磨），采用同样的操作方法，也可得到蓝绿色晶体．
3、由Na 2CO 3溶液跟CuSO 4溶液反应制备
分别称取12.5gCuSO 4·5H 2O ，14.3gNa 2CO 3·10H 2O ，各配成200mL 溶液（溶液浓度为0.25mol·L -1）．在室温下，把Na 2CO 3溶液滴加到CuSO 4溶液中，并搅拌，用红色石蕊试纸检验溶液至变蓝为止，得到蓝色沉淀．抽滤，用水洗沉淀，至滤液中不含SO 42-为止，取出沉淀，风干，得到蓝色晶体．该晶体的主要成分为5CuO·2CO 2．如果使沉淀与Na 2CO 3的饱和溶液接触数日，沉淀将转变为Cu(OH)2．
如果先加热Na 2CO 3溶液至沸腾，滴加CuSO 4溶液时会立即产生黑色沉淀．如果加热CuSO 4溶液至沸腾时滴加Na 2CO 3溶液，产生蓝绿色沉淀，并一直滴加Na 2CO 3溶液直至用红色石蕊试纸检验变蓝为止，但条件若控制不好的话，沉淀颜色会逐渐加深，最后变成黑色．如果先不加热溶液，向CuSO 4溶液中滴加Na 2CO 3溶液，并用红色石蕊试纸检验至变蓝为止，然后加热，沉淀颜色也易逐渐加深，最后变成黑色．出现黑色沉淀的原因可能是由于产物分解成CuO 的缘故．因此，当加热含有沉淀的溶液时，一定要控制好加热时间．
4、由NaHCO 3跟CuSO 4·5H 2O 反应制备
称取4.2gNaHCO 3，6.2gCuSO 4·5H 2O ，将固体混合（不研磨）后，投入100mL 沸水中，搅拌，并撤离热源，有草绿色沉淀生成．抽滤、洗涤、风干，得到草绿色晶体．该晶体的主要成分为CuCO 3·Cu(OH)2·H 2O ．
5、由Cu(NO 3)2跟Na 2CO 3反应制备
将冷的Cu(NO 3)2饱和溶液倒入Na 2CO 3的冰冷溶液（等体积等物质的量浓度）中，即有碱式碳酸铜生成，经抽滤、洗涤、风干后，得到蓝色晶体，其成分为2CuCO 3·Cu(OH)2．由上述几种方法制得的
晶体颜色各不相同．这是因为产物的组成与反应物组成、溶液酸碱度、温度等有关，从而使晶体颜色发生变化．从加热分解碱式碳酸铜实验的结果看，由第一种方法制得的晶体分解最完全，产生的气体量最大．
6、2CuSO4+4NaHCO3=CuCO3·Cu(OH)2+2Na2SO4+3CO2+H2O
将125gCuSO4·5H2O 与95g NaHCO3混合研细，将混合物分次少量地加入到1L 沸水中并不断搅拌。

此时有CO2 放出。

加料完毕后煮沸10~15min，吸滤↓，用水洗至无硫酸根为止，于80~100℃干燥得产品，产量48—50g。

用途：铜盐制造，油漆颜料，烟火制造。

用作杀虫剂，固体荧光粉激活剂。

避光密存。

2CuSO4 + 4NaHCO3——→CuCO3·Cu(OH)2+2Na2SO4+3CO2+H2O
2 4 125/249.68=0.5mol 95/84.007=1.13mol
实际物料比：CuSO4/NaHCO3 =0.5/1.13=1/2.3＜1/2
（M CuSO4·5H2O =249.68 M NaHCO3 =84.007）
7、（苏）M.E，波任等著《无机盐工艺学》上，416，化学工业出版社，1980
2CuSO4+2Na2CO3+ H2O==== Cu(OH)2·CuCO3+2Na2SO4+CO2↑
CuSO4与纯碱作用可制得碱式碳酸铜。

因温度和其他沉淀条件不同，或是生成青色的2CuCO3· Cu(OH)2。

或是生成绿色的CuCO3·Cu(OH)2。

溶液混合时，最初析出青色的胶状↓，然后变成组成为CuCO3·Cu(OH)2·XH2O 的绿色结晶。

为了制得这种组成的产品，应使浓度成为1mol.L 1的原料溶液，按Na2CO3：CuSO4==1.1：1 的比例混合，而且必须长时间缓慢地搅拌反应物料以使↓老化并使胶体转变成结晶。

8、陈寿椅主编《重要无机化学反应》，95、97。

（1）、当CuSO4与Na2CO3 溶液混合时（1molCuSO4与0.93mol Na2CO3），则CuSO4完全转变为三种不同的化合物，即不溶性的水合CuCO3（形成大型↓）；不溶性的水合碱式硫酸铜及可溶性的碱式CuSO4。

这些化合物在步尔根地液中形成，至于其↓的百分组成则与温度等有很大的关系。

13CuSO4·5H2O+3Na2CO3·10H2O+14NaOH=3CuCO3·3Cu(OH)2↓+Cu5(SO4)2(OH)6·2H2O↓+ CuSO4·Cu(OH)2+ 10Na2SO4+12H2O
（2）、当CuSO4和Na2CO3的溶液混合后，即有庞大的蓝色↓析出，倘↓继续与Na2CO3的饱和溶液接触达数日之久，则将转变为Cu(OH)2：
（a）、5CuSO4 +8Na2CO3+3H2O 5Cu·2CO2↓+5Na2SO4+6Na2HCO3
（b）、5CuO·CO2+2 Na2CO3+7H2O——→5Cu(OH)2↓+4NaHCO3
9、《基础化学实验大全》（II），P. 424
在少量CuSO4 溶液中，加入Na2CO3 溶液。

2Cu2++CO32-+2OH-=CuCO3·Cu(OH)2
现象：生成浅蓝绿↓（碱式硫酸铜↓也是浅蓝绿色的）。

[说明]：往CuSO4溶液里加Na2CO3，生成↓不是CuCO3。

而是碱式碳酸盐[CuCO3·Cu(OH)2]。

再加Na2CO3时溶解，是由于生成可溶性[Cu(OH)2CO3]2-配离子缘故。