ZnO制备实验报告.docVIP

纳米氧化锌的制备实验报告班级：应091-4组号：3组员：付嫱 200921501410贡文秀 200921501411郭鑫 200921501412指导老师：翁永根 2012.3一、实验目的1.了解ZnO的广泛用途，良好性能及主要应用；2.初步学会ZnO的评价和表征；3.掌握从硫酸锌溶液中，除去铁、铜、镍和镉等杂质离子的原理和方法；4.运用无机化学基本原理和知识，查阅相关资料，提高综合运用所学知识解决实际问题的能力；5.初步了解ZnO的工业生产并培养经济成本意识和环保意识。二、实验原理氧化锌（ZnO），俗称锌白，相对分子质量81.39，是锌的一种氧化物，白色或浅黄色微细粉末。难溶于水，可溶于酸和强碱。氧化锌是一种常用的化学添加剂，易分散在橡胶和乳胶中，是天然橡胶、合成橡胶的补强剂，活性剂及硫化剂，也是白色胶料的着色剂和填充剂。胶料中加入活性氧化锌后，能使橡胶具有良好的耐磨性，耐撕裂性和弹性。在化妆品中添加活性氧化锌，既能屏蔽紫外线起到防晒作用，又能抗菌除臭。因此氧化锌广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中。氧化锌的能带隙和激子束缚能较大，透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。活性氧化锌和普通氧化锌在化学成分上是相同的，它们的差异主要表现在物理性质上。活性氧化锌具有力度小、比表面积大、荧光性、压电性以及较强的吸水性和散射紫外线能力等许多独特的物理、化学性质，因此显示出优越的性能和广泛的应用前景。氧化锌的制备方法有很多，工业上常用氢氧化锌、碳酸锌或碱式碳酸锌分解法。本实验以锌焙砂（主要成分为氧化锌、锌并含有少量铁、铜、铅、镍、镉等杂志，杂志均以氧化物形式存在）和硫酸为主要原料，制备七水合硫酸锌，以碳酸氢铵为沉淀剂，采用碱式碳酸锌分解法制备活性氧化锌。硫酸锌或ZnO含量采用配位滴定法测定，用NH3-NH4Cl缓冲溶液控制溶液pH值约为10，以铬黑T为指示剂，用EDTA标准滴定溶液进行滴定，其主要反应如下：在氨性溶液中：Zn2+4NH3DZn(NH4)4 2+ 加入EBT（铬黑） Zn(NH4)4 2+ +EBT（蓝色）DZn-EBT(酒红色)+ 4NH3滴定开始计量点前： Zn(NH4)4 2+EDTADZn-EDTA+ 4NH3计量点时： Zn-EBT(酒红色) +EDTAD Zn-EDTA+EBT（蓝色） 三、实验仪器试剂1.仪器分析天平、电子天平、烧杯、洗瓶、玻璃棒、滤纸、抽滤装置、pH试纸（114）、蒸发皿、表面皿、锥形瓶（250ml）、石棉网、电炉、水浴锅、烘箱、锥形瓶、容量瓶、胶头滴管、碱式滴定管、筛子2试剂锌焙砂10g、H2SO4 （3mol/L）、HCl（6mol/L）KMnO4 （0.1mol/L）、锌粉0.1g、NH4HCO3 （s）、氧化锌粉末、EDTA二钠盐标准滴定溶液、铬黑T指示剂、NH3 H2O、NH3-NH4Cl缓冲溶液、Ag、AgNO3、水合肼、凡士林、TiO2、CaCO3、滑石粉四、实验步骤1.酸解（1）称取10g锌焙砂于锥形瓶中，加入35ml 3mol/L的 H2SO4 ；（2）放在80水浴锅中加热约50min，加热过程中隔二三分钟摇晃锥形瓶，直至锥形瓶中有极少量残渣，反应停止；（3）加15ml去离子水，加热煮沸后过滤，若滤纸上还有未反应完的原料，称重并记录数据2.除Fe（1）在硫酸锌溶液（粗溶液）中滴加0.1mol/L的KMnO4至颜色不再消失为止；（2）调节pH值：加入0.5g左右氧化锌粉末，至用pH试纸测得溶液pH达到45，加入的氧化锌粉末要计量称重； （3）溶液煮沸3min后，减压过滤；3.除重金属（1）过滤后的溶液加入锌粉0.1g；（2）80水浴锅加热，不断搅拌10min；（3）过滤；4.制备ZnO（1）在上述溶液中加入蒸馏水稀释至100ml，然后在低于35下，加入9g NH4HCO3 （分批加入），不断搅拌10min;（2）减压过滤，充分洗涤滤饼；（3）将洗涤后的滤饼在烘箱内240烘干;（4）将干燥后的半成品放入高温炉里煅烧2h；（5）去除成品氧化锌，冷却至室温，称重；5.定量分析产品含量的测定：精确称取0.400.41g产品ZnO，用6mol/L的HCl溶解，然后定容至250ml容量瓶中，取25ml溶液，用10%氨水调pH值78，加入NH3-NH4Cl缓冲溶液调pH10，加入两滴铬黑T指示剂，摇匀，用用已经标定好的EDTA溶液滴定至终点，平行测定两次，同时做空白试验。6. ZnO的用途（1）除异味的药水称取一定量的ZnO产品，按照ZnO：Ag为50:1的比例加入0.05mol/L AgNO3 溶液，水浴上挥发至干，然后加入3ml水合肼，水浴挥发至干，得到干的产品，即ZnO表面附上了一层银。用得到的产品配成5%的水溶液，即得到除异味的药水。（2）治疗脚气的药膏用前一步得到的一定量的产品与凡士林混合，得到治疗脚气的药膏。（3）防晒粉按照ZnO：TiO2：CaCO3：滑石粉为0.4:0.6:1:3的比例混合后，在研钵里研磨几分钟，然后过筛，得到防晒粉。五、实验现象及数据记录1实验数据记录及处理（1）ZnO的制备名称锌焙砂氧化锌锌粒碳酸氢铵杂质产品质量(g)10.02.00.109.030.452.19产量计算：m（ZnO）=m（产品）-m（添加ZnO） =（2.19-2.0）g=0.19gm（锌焙砂）实=m（锌焙砂）m（杂质） =（10.0-0.45）g=9.55g产率= m（ZnO）m（锌焙砂）实100% =0.199.55100% =1.68%(注：半成品氧化锌ZnO在高温炉里煅烧时盛放在表面皿里在加热过程中炸裂，向外取的过程中洒在了地上，致使产品大量减少)（2）ZnO含量的测定mZnO=0.4004gCEDTA=0.01795mol/LVEDTA（ml）V1V2V空白25ml溶液26.2526.300.05根据ZnO：EDTA=1：1VEDTA平均 =1/2（26.25+26.30）0.05=26.23mlmZnO纯 =81.39（0.0179526.2310-3）10=0.3832gZnO含量=0.3832/0.4004100%=95.70%(3) ZnO的应用制备脚气治疗产品及除异味用液体喷剂：mZnO=1.36gV（AgNO3溶液（0.05molL）=7.25mlV（水合肼）=3ml制备防晒粉：mZnO=0.4025g mTiO2=0.6055gmCaCO3=1.0g m滑石粉=3.0g2.实验现象记录实验步骤实验现象称取10g锌焙砂于锥形瓶中，加入35ml 3mol/L的 H2SO4有难闻气味，溶液变为浑浊的白色在硫酸锌溶液（粗溶液）中滴加0.1mol/L的KMnO4至颜色不再消失滴加高锰酸钾溶液后溶液颜色变深调节pH值溶液变为棕白色，加热之后变成棕黄色分批加入NH4HCO3烧杯中有大量的白色泡沫状的物质产生，后产生的白色泡沫状物质逐渐减少，溶液最后变为白色粘稠状的物质。制备除异味以及治疗脚气的产品加入AgNO3溶液后粉末状的氧化锌逐渐成块，溶液颜色逐渐变深为棕灰色物质，加入水合肼后，溶液颜色进一步加深，随着反应的进行，最后变为棕灰色的粉状固体六、注意事项（1）蒸馏水的质量是否符合要求，是配位滴定应用中十分重要的问题：若配制溶液的水中含有Al3+、Cu2+等，就会使指示剂受到封闭，致使终点难以判断；若水中含有Ca2+、Mg2+、Pb2+、Sn2+ 等，则会消耗EDTA，在不同的情况下会对结果产生不同的影响。因此，在配位滴定中，必须对所用的蒸馏水的质量进行检查，为保证质量，经常采用二次蒸馏水或去离子水来配制溶液。（2）EDTA溶液应当贮存在聚乙烯塑料瓶或硬质玻璃瓶中，若贮存于软质玻璃瓶中，会不断溶解玻璃中的Ca2+ 形成CaY2- ，使EDTA的浓度不段降低。（3）金属指示剂往往是有机多元弱酸或弱碱，兼具pH指示剂之功能，因此，使用时必需注意选择合适的pH范围。七、思考题1.用KMnO4溶液除铁过程中，理论上PH应控制在什么范围？你认为在实际生产过程中应控制在什么范围？若溶液PH低于或高于你想要的PH范围，应如何处理？答：金属氧化物开始沉淀时的PH沉淀完全时的PH分子式Ksp金属离子浓度1mol/L金属离子浓度0.1mol/L金属离子浓度10-5Zn（OH）2310-175.76.28.24Fe（OH）24.8710-175.86.348.34Fe（OH）32.7910-391.151.482.81理论上要使Fe3+完全沉淀而Zn2+不至于形成沉淀，pH应控制在3.25.28之间。实际生产中PH应控制在5.05.4；因为酸度太高会严重腐蚀生产设备。若溶液的pH低于想控制的范围可以加入适量 的ZnO调节，若高于想控制的范围，可加入适量的稀硫酸调节。2. KMnO4的量如何控制？若不小心加入的KMnO4过量太多，应如何处理？答：在Zn2SO4粗溶液中逐滴加入KMnO4溶液并震荡，滴至溶液呈微红色。若不小心加入的KMnO4过量太多，应加入适量的H2O2，发生反应：2 MnO4-+5 H2O2+6H+5O2+2Mn2+8H2O3除铁过程中是否需要加热？原因何在？答：需要。因为氢氧化铁胶体抽滤时易堵塞滤纸，加热可使氢氧化铁聚沉。4.用KMnO4氧化Fe2+为Fe3+时，在酸性和微酸性条件下，反应产物是否一样？是写出它们的反应式。答：反应产物不一样。在酸性条件下：5Fe2+ + MnO4- + 8H+ =5Fe3+ + Mn2+ + 4H20在微酸性条件下：3Fe2+ + MnO4- + 4H+ =3Fe3+ + MnO2 + 2H2O5. 如何定性鉴定硫酸锌溶液中是否存在Fe2+(或Fe3+)和Mn2+？答：Fe2+，Fe3+：滴加稀HNO3酸化，加入KSCN溶液，如果变为红色，存在Fe2+或Fe3+。6.用锌粉置换法除去硫酸锌溶液中的Cu2+、Cd2+和Ni2+时，如果检验Ni2+已除尽，是否可以认为Cu2+、Cd2+也已除尽？答：查表比较EZn2+/Zn、ECd2+/Cd、ENi2+/ni、ECu2+/Cu的大小，就能看出锌粉加入后能否除去杂质。然后再从组成原电池E的比较、确定离子的还原次序。查表得：E(Zn2+/Zn)= 0.7628 V ；E(Cd2+/Cd) = 0.4026 V ；E(Ni2+/Ni) = 0.23 V E(Cu2+/Cu)= +0.3402 V 从标准电极电位的数值可知：E(Zn2+/Zn)E(Cd2+/Cd)E(Ni2+/Ni)E(Cu2+/Cu)这里锌为较强的还原剂，而Cd2+、Ni2+、Cu2+为较强的氧化剂，所以下列除杂离子的氧化还原反应是可以进行的。Zn + Cd2+ = Zn2+ + CdZn + Ni2+ = Zn2+ + NiZn + Cu2+ = Zn2+ + Cu同时反应后Zn变为Zn2+ 离子，又不引进新的杂质，因此用锌粉除杂质离子是较理想的。由于杂质离子含量相同，可用标准电极电位来判断离子的还原次序。在铜锌电池中 EMF = E (Cu2+/Cu)- E(Zn2+/Zn )= 0.3402-（ -0.7628）= 1.1030 V，在镍锌电池中 EMF= E(Ni2+/Ni)- E(Zn2+/Zn) = 0.23 -（- 0.7628）= 0.5328 V。在镉锌电池中 EMF= E(Cd2+/Cd)-E（Zn2+/Zn）= 0.4026 -（- 0.7628）= 0.3602 VEMF铜锌电池EMF镍锌电池EMF镉锌电池所以Zn首先还原Cu2+，其次才是Ni2+、Cd2+，故还原次序为Cu2+、Ni2+、Cd2+。因此检验Ni2+已除尽，不可以认为Cu2+、Cd2+也已除尽。7.EDTA配位滴定中为什么要使用缓冲溶液？多加缓冲溶液对测定有影响吗？答：为了控制溶液pH，因为有H+释放，使得H+浓度升高，降低了络合物的条件稳定系数，滴定突越变小，破坏了指示剂变色的最适酸度。所以要加缓冲溶液。若多加缓冲溶液则会影响指示剂到达终点时的灵敏度。8.在配位滴定中，指示剂应具备什么条件？答：金属指示剂一般是具有酸碱指示剂性质的染料，同时又是一种配位剂，能与金属离子形成一种与染料本身颜色明显不同的配合物，从而指示滴定终点。 （1）配合物的颜色与指示剂本身必须明显不同 （2）配合物的稳定性要适中 （3）配合物最好能有较好的水溶性（4）指示剂与金属离子的反应必须迅速，并具有良好的可逆性9.怎么用氨水溶液（10%）调节溶液PH至78？答：Zn2+和氨水生成了络合物，所以看不到白色沉淀。沉淀要在PH=7左右才会出现，所以滴加氨水的时候速度要慢，要一滴一滴的加，这样才可以看到白色沉淀，继续滴加，当沉淀会消失，PH就已调节到78。10，工业中选取缓冲剂的选择所要考虑的问题？（1）安全环保（2）成本核算（3）考虑缓冲剂是否简易操作，安全。八、总结1.实验经济成本计算按照实验室中的合成过程，将其放大一万倍计算成本如下：原料成本：锌焙砂10.0g100004元/Kg=400元H2SO4、HCl、KMnO4、锌粉、NH4HCO3、氧化锌粉末、EDTA二