硫酸铜结晶的论文.doc

目录1 从微观角度分析结晶原理12 影响晶体形态的主要因素12.1 聚集速度与定向速度12.2 溶液的过饱和度22.3 冷却22.4种晶22.5 酸化23 寒冷天气中实验的探索33.1 冷却高温的饱和硫酸铜溶液33.2 水浴法的难点33.3 实验结果分析34 实验方案44.1 冷却低饱和溶液法44.1.1 实验原理44.1.2 实验的仪器和试剂44.1.3 实验步骤44.1.4 实验注意事项54.2 水浴锅递度冷却法54.2.1 实验原理54.2.2 实验的仪器和试剂54.2.3 实验步骤54.2.4 实验注意事项65 实验的思索6参考文献：6致谢7硫酸铜结晶的制备陈观庆 05生物制药（3）班 2号 指导老师 陈法才摘要为了在寒冷天气中获得比较透明的硫酸铜大晶体，对硫酸铜结晶实验各个的影响因素进行了研究。通过“同一室温冷却不同浓度的饱和硫酸铜溶液”和“同一浓度的饱和硫酸铜溶液冷却的快与慢”的反复多次实验，提出了在寒冷的天气中，通过水浴锅递度冷却法和降低溶液的相对过饱和度来减小溶液中的聚集速度，实现晶体的缓慢析出，使晶体按一定顺序排列于晶格内，形成透明的纯度高的硫酸铜晶体的实验方法。关健词硫酸铜晶体；结晶；聚集速度；过饱和度 一般情况下，硫酸铜结晶的制备通常用冷却高温的过饱和硫酸铜溶液来制得大晶体。但在较低的室温下，一般的操作很难得到完美晶体。无论在选种上还是晶体的成长上成功率都显得很低。为了能在低室温下制得较大完整的晶体，我根据“结晶原理”，对实验中涉及的几个重要操作条件进行了分析和探讨。较好的解决了实验中遇到的各种问题。1 从微观角度分析结晶原理晶体的形成，晶核的形成有两种情况。一种是均相成核作用，在过饱和溶液中，组成沉淀物的构晶离子，由于相互碰撞及靠静电作用而缔合起来，自发地形成晶核，称为均相成核。另一种是异相成核作用，在进行沉淀的溶剂，试剂以及容器内壁上存在大量肉眼看不见的固体微粒，这些微粒在沉淀过程中起着晶种的作用，诱导沉淀形成，称为异相成核1。晶体的成长，溶液中有晶核形成之后，溶液中的构晶离子随即向晶核表面扩散，并沉积到晶核上，晶核逐渐长大成微粒。溶液中的构晶离子继续在沉淀微粒周围定向排列，微粒晶体不断增大，则生成颗粒较大的晶形沉淀（见右图）。这种沉淀微粒有聚集更大的聚集体的倾向，若沉淀微粒互相凝聚，就生成无定形沉淀。2 影响晶体形态的主要因素2.1 聚集速度与定向速度晶体颗粒的形态和大小，主要由聚集速度和定向速度相对大小所决定。从微观看，构晶离子聚集成晶核，晶核成长为沉淀微粒，沉淀进一步聚集成聚集体。在聚集的同时，构晶离子又在自己的晶核上按一定的顺序排序于晶格内，晶核就渐渐增大，形成晶体。在沉淀过程中，如果聚集速度大于定向速度，生成晶核数量过多，却来不及进行晶格排列，得到小颗粒的晶体之间有形成较大聚集体的倾向，将互相粘连形成无定形沉淀。反之，如果定向速度大于聚集，构晶离子在自己的晶核上有足够时间进行晶格排列，能得到较大颗粒的晶形沉淀。聚集速度主要与溶液的相对过饱和度有关。形成晶体沉淀的初速度与溶液的过饱和度成正比，与所生成沉淀的溶解度成反比。可用式表示：V=K（Q-S）/S式中V为聚集速度（或称形成沉淀的初始速度）；Q为加入沉淀剂瞬间生成沉淀物质的浓度；S为沉淀的溶解度；（Q-S）为沉淀物质的过饱和度；（Q-S）/S为相对过饱和度；K为比例常数，它与沉淀的性质，温度，介质等因素有关。由式可见，如果沉淀的溶解度大，瞬间生成沉淀物质的浓度不高，溶液的相对过饱和度小，则聚集速度就慢，易成长为大颗粒，就得到大的晶形沉淀；反之，则生成微小的硫酸铜颗粒。2.2 溶液的过饱和度通常情况下，当溶液的过饱和度很大时，液体的粘度就很高，晶核的形成速率就很快，晶核过多，晶体过小。泛滥的晶体不断长大进而互相粘连，实验失败。因此，若要得到较大的晶体，应严格控制母液的过饱和度2。溶液的过饱和度常用折射率法或比重法监测。由于实验条件有限，不能进行实时测量，采用饱和溶液的温度与室温的差距粗略估计溶液的过饱和度。一般采用高于20-30的过饱和溶液。2.3 冷却理论上，当溶液的过饱和度一定时，冷却温度直接影响晶体的生长。因为晶体生长的速率取决于溶液的扩散系数，当温度较高时，溶剂的粘度降低，扩散系数增大，相应地晶体的增长速率也增大，所以，在溶液的过饱和度一定时，较高的温度有得于晶体生长。因此，在析晶前要进行缓慢降温，严格控制温度的下降速度。2.4种晶本实验选用硫酸铜细晶、毛细管和铜线作晶种，结果表明，选用硫酸铜细晶作晶种较理想。根据结晶原理，晶体的生长是构晶离子在晶核表面不断堆积的结果，对澄清的过饱和溶液，在介稳区是不会产生晶核的，必须靠外界加入的晶种才能使溶液中的构晶离子生长到晶种的表面上，而溶液中的固体杂质、微粒、尘埃、容器界面的粗糙度、容器的震动等都会诱发成核。如果不注意操作，就会造成晶核“泛滥”，就无法形成大晶体。由于毛细管和铜丝的表面积较大，即晶核较多；加上毛细管和铜丝上生长的晶体，因相互堆积、相互挤压，致使晶体无法成长。相反，选用细晶用毛发或细线系住，悬挂在溶液中间的方法，容易形成大晶体。2.5 酸化pH值是一个重要的操作条件。实验表明，酸性强（pH1），收率高、晶体大，但是晶体颜色浅，且晶体很疏松，易破碎，可能原因是浓硫酸具有吸水性，使硫酸铜晶体的结晶水含量降低。酸性弱（pH4），晶型好，但收率低，杂质多，主要原因是Cu2+水解，生成了碱式硫酸铜沉淀3。因此，为防止Cu2+水解，并制得较大的硫酸铜晶体，应用稀硫酸对溶液进行酸化，实验结果表明溶液的pH=2最理想。3 寒冷天气中实验的探索3.1 冷却高温的饱和硫酸铜溶液在一般情况下，用缓慢冷却高温的饱和硫酸铜溶液的方法获取晶种。根据硫酸铜的溶解度曲线，在寒冷的天气中（指终点温度，室温）硫酸铜沉淀的溶解度较低，冷却高温的饱和硫酸铜溶液会有大量的微小晶体迅速析出，不能形成较大晶种。因为天气比较冷，所以加热的饱和硫酸铜溶液的温度下降速度比较快，也就是说硫酸铜在溶液中的溶解度变化大，饱和硫酸铜溶液有大量的微小晶体迅速析出。高温的饱和硫酸铜溶液的浓度高，根据硫酸铜的溶解度曲线（见右图），硫酸铜的溶解度随温度的升高不断递增，因此在冷却溶液时，在较高温度下已有晶体析出，速度迅速而且量大。由于析出的速度过快，都以小颗粒的晶体析出。因此，不能使此方法在寒冷的天气中获取晶种。3.2 水浴法的难点用水浴法（指用大烧杯装小烧杯的普通水浴法）令高温的饱和硫酸铜溶液的温度逐渐下降，虽然可以形成较大的晶种，但选取晶种时不能过多的动荡溶液，要求操作快速稳重。在实际操作中很难从溶液中取出细小的晶种，因为在寒冷的天气中过多的动荡溶液，会使微小的晶体大量析出，甚至在溶液的表面形成一层晶膜，粘附在晶种的表面导致选种败。在天气比较寒冷的时候用水浴法冷却高温的饱和硫酸铜溶液时，当溶液的温度接近室温时，通常晶体的析出速度就会明显加快，导致析出的大量微小晶体粘附在晶种的表面，实验失败。原因尚未查明，还有待于进一步探究。3.3 实验结果分析通过以上两个实验的反复操作，可以得知在寒冷天气中影响硫酸铜结晶实验的各个因素的主次关系是：冷却溶液的过饱和度聚集速度定向速度酸度。造成以上两个实验难以顺利获取晶种的主要原因是：相对于寒冷的天气，一般操作难于使溶液缓慢冷却，溶质不能缓慢析出。高温的饱和硫酸铜溶液的浓度高，瞬间生成沉淀物质的浓度（Q）大，导致沉淀的过饱和度（Q-S）大，即聚集速度（V）大，进而晶体随温度的下降而大量析出，结晶失败。3.4 结论得到大颗粒的硫酸铜晶形沉淀必须注意的两大条件：（1）设计在寒冷天气中能使饱和硫酸铜溶液缓慢降温的实验操作。（2）降低溶液的相对过饱和度。通过降低溶液的相对过饱和度来实现减小溶液中的聚集速度，瞬间生成沉淀物质的浓度降低，构晶离子能按一定顺序排列于晶格内，进而顺利取得晶种和培养形成透明的纯度高的硫酸铜晶体。4 实验方案 根据“结晶原理”，对实验中涉及的几个重要操作条件进行了分析和探索。总结实验的经验，设计出可行的实验方案。4.1 冷却低饱和溶液法4.1.1 实验原理 根据硫酸铜的溶解度曲线，硫酸铜在水中的溶解度随温度的下降呈弧形下降。也就是说， 稍高于室温时（通常采用高于室温20-30的过饱和溶液）硫酸铜的溶解度随温度的变化，而较为缓慢的变化着，因此在冷却低饱和度的硫酸铜溶液时能降低瞬间生成沉淀物质的浓度，使构晶离子缓慢析出，保证晶种在介稳区顺利成长。4.1.2 实验的仪器和试剂 电热炉，石棉网，烧杯，铁架台，温度计，玻璃棒，漏斗，2mol/L H2SO4溶液，pH试纸，滤纸。4.1.3 实验步骤1) 加热纯净的蒸馏水 用温度计测量溶液温度，将蒸馏水温度控制在高于室温20-30之间。加入硫酸铜粉末（分析纯效果更好）直到使溶液饱和。2) 酸化 用稀硫酸调节溶液的pH值,使pH=2。3) 过滤与冷却 因为在寒冷的室温下，溶液的温度下降比较快，所以为了避免在过滤时析出晶体影响收率，将饱和硫酸铜溶液加热到40-50，趁热过滤于事先用布或棉花包好的洗净并用热水加温过的烧杯中。加盖静置。经几小时或一夜，将会发现烧杯底有若干颗小晶体生成。4) 选种和晶体的成长 拣一颗晶形比较完整的晶体，用细线或头发系住，悬挂在饱和硫酸铜溶液的烧杯里，并加盖静置，小晶体会逐渐长大，成为一块晶美的大晶体。4.1.4 实验注意事项1) 所用试剂必须纯净，如含有杂质就很难获得完整的晶形。2) 控制好溶液的浓度。如果溶液过浓，析晶速率过快，不易形成晶形完整的晶体。本实验虽然用高于室温20-30的饱和硫酸铜溶液，但可以根据环境温度的变化，进行适度的调整。3) 因为高于20-30的饱和硫酸铜溶液的饱和度相对较低，所以在冷却至室温时，溶质析出数量有限。如果实验结果晶体没有达到理想大小，可以用增加饱和硫酸铜溶液的体积的方法，增加构晶离子的数量来培养更大的晶体。4) 选种的时候必须注意，不要过多的震荡溶液，避免有微小的晶体析出粘附在晶种表面。5) 所用容器必须洁净，要加盖预防灰尘落入。4.2 水浴锅递度冷却法4.2.1 实验原理 晶体生长的速率取决于溶液的扩散系数，当温度较高时，溶剂的粘度降低，扩散系数增大，相应地晶体的增长速率也增大。运用水浴锅进行有目的的缓慢冷却，使高温的饱和硫酸铜溶液在低室温下能缓慢冷却，晶种顺利生长成为较大完美晶体。4.2.2 实验的仪器和试剂 水浴锅，电热炉，石棉网，烧杯，铁架台，温度计，玻璃棒，漏斗，2mol/L H2SO4溶液，pH试纸，滤纸。4.2.3 实验步骤1) 制备饱和硫酸铜溶液 加热纯净的蒸馏水，用温度计测量溶液温度。将馏水温度控制在高于室温50-60之间。加入硫酸铜粉末（分析纯效果更好）直到使溶液饱和。2) 酸化 用稀硫酸调节溶液的pH值,使pH=2。3) 过滤 铜溶液加热到80-90，热过滤于洗净并用热水加温过的烧杯中。将烧杯放入水浴锅。此时水浴锅的水温应为60。4) 递度冷却 将水浴的温度以60、58、55、51、46类似依次调节，注意每个温度值都应该有适当的时间段，让晶体析出完全，再进入下一个温度值。5) 选种 在冷却过程中，当看到有微小晶体析出时，应当在该温度值延长停留时间，当晶体生成足够大小作为晶种，不必要再下降到下一个温度值。取出晶体，从中选取一颗晶形完整且晶美的作为晶种。用头发或细线系住。6) 晶体的成长 将原来硫酸铜溶液稍微加热，使未被选作晶种的细小晶体溶解。当完全溶解时，再让该溶液下降到选种温度，将晶种放入溶液中，加盖静置。以步骤4的方式递度降温。小晶体将逐渐成长，成为较大的理想晶体。4.2.4 实验注意事项1) 在冷却过程中，每个温度值都应该有足够的时间段让所需析出的晶体尽量析出。2) 选种的时候必须注意，不要过多的震荡溶液，避免有微小的晶体析出粘附在晶种表面。3) 水浴涡水的液面应该稍高于或尽量接近所放硫酸铜溶液的液面，使冷却时硫酸铜溶液的温度均匀下降。4) 所用试剂必须纯净，如含有杂质就很难获得完整的晶形。静置时加盖预防灰尘落入。5 实验的思索一杯硫酸铜溶液放入多个晶种进行培养也许会对晶体的生长有不利的影响，通常多个晶种进行培养晶体在生长的时候，晶体里面会有白色的不透明的结晶出现。由于时间有限没有对这个现像进行研究和探索。建议采用一杯硫酸铜溶液培养一个晶种的方法去获取晶体。还有由于天气寒冷而干燥，可以考虑利用蒸发溶剂的方法使硫酸铜晶体随溶剂的减小而缓慢的析出，这个方法令硫酸铜析出的晶体速度达到很小，理论