1、硫酸铜单晶的培养与热重分析摘要：本文给出了一种制备硫酸铜单晶的方法，主要方法为冷却热饱和析出晶体。此方法对溶液的饱和度和温度的控制要求较高，原料利用率高，但晶体形状不是十分规则，有待完善。 关键词：硫酸铜、单晶、冷却热饱和、晶核、热重分析1、 原理部分根据实验室的条件，培养硫酸铜单晶只能选择溶液生长的方法（溶液法晶体生长是首先将晶体的组成元素（溶质）溶解在另一液体（溶剂）中，然后通过改变温度、蒸汽压等状态参数获得过饱和溶液，最后使溶质从溶液中析出，形成晶体的方法） 。在沉淀过程中，形成晶核后，溶液中的构晶离子向晶核表面扩散，并沉积在晶核上，使晶核逐渐长大，到一定程度时，成为沉淀微粒。这种沉淀微
2、粒有聚集为更大的聚集体的倾向；同时，构晶离子又具有一定的晶格排列而形成大晶粒的倾向。前者是聚集过程，后者是定向过程。聚集速度主要与溶液的相对过饱和度有关，相对过饱和度越大，聚集速度也越大。定向速度主要与物质的性质有关，极性较强的盐类，一般具有较大的定向速度。如果聚集速度慢，定向速度快，则得到晶形沉淀；反之则得到无定形沉淀。通过对产品进行热重分析，可测定其所含结晶水的数目，并可得知起其受热失水情况。热重法是在程序控制下借助热天平以获取样品的质量与温度关系的一种技术。天平在加热过程中试样无质量变化时保持初试平衡状态，而有质量变化时，天平就失去平衡。并立即向传感器输出天平失衡信号，于是得到试样质量与
3、温度（或时间）关系的曲线。在 TG 曲线中，如果反应前后均为水平线，表示反应过程中样品质量不变；若曲线发生偏转，则相邻两水平线段之间在纵坐标上的距离所代表的相应质量 m 即为该步反应的质量差。如将 TG 曲线对温度和时间取一阶导数，即把质量变化的速率作为温度或时间的函数被连续记录下来，这种方法称为微商热重法（DTG） 。微商热重曲线上出现的每个峰对应 TG 曲线每个相应的质量变化阶段。它反映了样品质量的变化率与温度或时间的关系，可以确定样品失重过程的特征点，如反应起始、终止温度等等。2、 实验部分2.1 实验器材及药品100ml 烧杯、表面皿、玻璃棒、电磁加热器、热重分析仪、五水硫酸铜产品、蒸
4、馏水、2mol/L 硫酸溶液2.2 实验步骤2.2.1 单晶的培养方法一：1、将制得的硫酸铜晶体溶于蒸馏水中配成约 70时的饱和溶液，静置冷却约一天，即可得到小晶体。挑出 2 粒晶型较好，体积较大的作为晶核。2、用头发丝将晶核捆好，固定在玻璃棒上。3、向析出晶体后的饱和溶液中加入少量的五水硫酸铜产品，水浴加热溶解，配成稍高于室温的饱和溶液，倾析法除去未溶解的固体。加入 2 滴稀硫酸，以防止硫酸铜在单晶生长过程中水解。5、将捆有晶核的玻璃棒横放在烧杯口，晶核垂入溶液中，晶核置于液面下方 12cm 处。烧杯口用白纸盖住，静置。6、每天观察晶体，如果晶核上长出多个硫酸铜晶体，则应将晶体取出用小刀切去
5、多余的小的不规则晶体，如果烧杯底部析出小晶体，则拿出晶核，加热溶液溶解晶体，再自然冷却至室温，倾析法除去析出的晶体。将晶核放入所得的溶液中，继续培养。7、重复以上步骤，持续结晶，直到晶体足够大为止。方法二：1、将制得的五水硫酸铜加热溶解，配置成热饱和溶液。将一根头发一端固定在玻璃棒上，一端伸入溶液液面下约 12cm 处，静置冷却约一天，即可看到头发丝末端有多个晶体析出。挑出形状规则、表面光滑的晶体留在头发丝上，即为晶核，剩余的晶体剔除。 2、向析出晶体后的饱和溶液中加入少量的五水硫酸铜产品，水浴加热溶解，配成稍高于室温的饱和溶液，倾析法除去未溶解的固体。加入 2 滴稀硫酸，以防止硫酸铜在单晶生
6、长过程中水解。3、将晶核直接放入上述溶液中，烧杯口用白纸盖住，静置。4、每天观察晶体，如果晶核上长出多个硫酸铜晶体，则应将晶体取出用小刀切去多余的小的不规则晶体，如果烧杯底部析出小晶体，则拿出晶核，加热溶液溶解晶体，再自然冷却至室温，倾析法除去析出的晶体。将晶核放入所得的溶液中，继续培养。5、重复以上步骤，持续结晶，直到晶体足够大为止。2.2.2 热重分析1、按照使用热天平的操作步骤对产品进行热重分析。操作条件如下：样品质量： 走纸速度：热重量程： 设定升温温度：290升温速率：4/min2、测定完成后，分析记录仪绘制的曲线，处理数据，得出水合硫酸铜分几步失水，每步的失水温度，样品总计失水的质
7、量，产品所含结晶水的百分数，每摩尔水合硫酸铜含多少摩尔结晶水（计算结果四舍五入取整数） ，确定出水合硫酸铜的化学式，再计算出每步失掉几个结晶水。3、查阅五水硫酸铜的结构，结合热重分析的结果，说明水合硫酸铜五个结晶水热稳定性不同的原因。3、 探究过程1、 第一次实验，我们按照方法一中的实验步骤进行实验，结果是比较顺利，成功析出多个形状规则晶体，但是表面不够光滑，可能是由于使用的五水硫酸铜晶体不纯净。我们挑出两个相对较光滑的晶体作为晶种，用头发绑住，固定在玻璃棒上，浸入已经处理好的略高于室温的热饱和溶液中。2、 我们按照步骤培养了几天后，发现晶体表面仍然不光滑，同时发现晶体正常的形状发生变化，晶体
8、的部分棱角消失。可能是由于晶核本身的不光滑而导致的。于是我们终止试验，进行方法二。已培养的晶体继续保留。3、 在进行方法二之前我们先对溶液进行一遍抽滤，滤去不容杂质。采用方法二后，头发末端的晶体形状规则、表面光滑。我们去除其他晶体，只保留一颗较大的形状规则、表面光滑的晶体，再按照步骤培养。然而在几天后的实验中我们发现头发上往往析出其他晶体与晶种同处溶液中。而且当晶体长大到一定程度后也发生表面不光滑的现象。可能是由于当晶体过大时，晶体缺陷处也相应增多，导致逐渐在表面形成多个结晶点。4、 经过两周的探究实验，得到晶体后，我们在老师的指导下对产品进行了热重分析，得到了 TG 曲线以及 DTG 曲线。
9、通过分析曲线，我们弄明白了水合硫酸铜究竟分几步失水，以及每步的失水温度，样品总计失水质量，产品所含结晶水的百分数，每摩尔水合硫酸铜含多少摩尔结晶水，确定出了水合硫酸铜的化学式，计算出每步失掉几个结晶水。4、 实验结论1、通过分析热重图，我们发现五水硫酸铜失水分三步进行，而且第一步失去两个水，第二步又失去两个水，第三步失去一个水。2、通过查阅资料我们了解到：五 水 合 硫 酸 铜 晶 体 结 构 ： CuSO4·5H2O 晶 体结 构 中 ， Cu2+呈 八 面 体 配 位 ， 为 四 个 H2O 和 两 个 O 所 围 绕 。 第 五 个 H2O与 Cu 八 面 体 中 的 两 个
10、H2O 和 SO4中 的 两 个 O 连 接 ， 呈 四 面 体 状 ， 在 结 构中 起 缓 冲 作 用 。 （ 其 结 构 如 下 图 所 示 ） 3、 五 水 合 硫 酸 铜 晶 体 失 水 分 三 步 ：上 图 中 两 个 仅 以 配 位 键 与 铜 离 子 结 合 的 水 分 子 最 先 失 去 ， 大 致 温 度 为102 摄 氏 度 。 两 个 与 铜 离 子 以 配 位 键 结 合 ， 并 且 与 外 部 的 一 个 水 分 子 以 氢 键 结 合 的水 分 子 随 温 度 升 高 而 失 去 ， 大 致 温 度 为 113 摄 氏 度 。 最 外 层 水 分 子 最 难 失
11、去 ， 因 为 它 的 氢 原 子 与 周 围 的 硫 酸 根 离 子 中 的 氧原 子 之 间 形 成 氢 键 ， 它 的 氧 原 子 又 和 与 铜 离 子 配 位 的 水 分 子 的 氢 原 子 之 间形 成 氢 键 ， 总 体 上 构 成 一 种 稳 定 的 环 状 结 构 ， 因 此 破 坏 这 个 结 构 需 要 较 高能 量 。 失 去 最 外 层 水 分 子 所 需 温 度 大 致 为 258 摄 氏 度 。 4、实际失水情况与理论情况有差异的原因我们分析原因可能有以下几点：试样不纯, 有杂质。试样量的多少主要影响水蒸汽的扩散和通过试样的热传导而带来对曲线形状和失重速率影响。试
12、样粒度小的比粒度大的热分解温度低。试样的制备条件、干燥和保存条件、填密程度等都对曲线有影响。测试时, 室温、实验台抗振性等外界条件对结果也有影响, 但在同一条件下, 外界条件的影响可消除。5、 关于晶体培养硫酸铜纯度越高，越容易形成大晶体。结晶时溶液浓度不宜过大，浓度过大，结晶过快，形成的晶体晶型多不完美，还会形成多晶。不宜配置温度过高的饱和溶液，否则会导致过快致使构晶离子不在晶核上析出而是形成小晶体。结晶时，要放在温度较低的暗处，这样有利于晶体的形成。硫酸铜溶液中加少量稀硫酸，形成的晶体明显比不加时大，而且晶型好，这可能是因为酸性环境有助于防止硫酸铜水解，溶液中没有氢氧化铜作晶核，因此都在大
13、晶体上结晶。若未加稀硫酸，晶核易溶解，可能是因为水解导致浓度降低。该实验对温度恒定要求较高，在室温较高、温度变化大的环境下，晶体的形状往往会发生变化，甚至在饱和溶液浓度较低时溶解晶核。5、 实验感悟我们在设计实验方案时，尽我们所能，以期得到较为完备的方案，我们在交流，沟通的过程中，发现不同的人会有不同的侧重点，每个人都有自己独到的见解，在沟通交流中我们不断提高自己，完善自己的思维。总之，此次实验探究过程中，我们深刻体会到“众人拾柴火焰高” ，在以后的学习，实验过程中我们将加大交流沟通的力度，实现探究式学习，在学习的过程中体会到合作的快乐。而且，一切必须从实践出发，光想不实践，再好的想法也会落空；而且，在具体的实践过程中，我们将发现事先未想到的问题，出现事先未想到的情况，这时我们就必须采取措施，临时视情况调整实验步骤，重新开始，因而极大地锻炼了我们的应变反应能力。
