用CuO调节pH除Fe3+的数字化实验
蒋佳琪 蒋金虎 黄颖洁
摘要：在很多高考模拟题中都出现用CuO调节pH除溶液中Fe3+的操作，但在实际教学中却有不少师生对此困惑：真的能除尽吗？为什么溶液中Cu2+不沉淀？本实验通过数字化仪器分别测试和展现向稀盐酸溶液、氯化铜溶液、氯化铁溶液中加入固体CuO后溶液pH随时间的变化，得出用CuO调节pH除Fe3+的可行性以及如何控制CuO加入量达到Cu3+不沉淀的目的。
关键词：数字化实验;CuO调节pH;除Fe3+
文章编号：1008-0546（2018）10-0092-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
一、问题提出
在很多高考模拟试题中都出现用CuO调节pH除溶液中Fe3+的操作，如：工业上用粗氧化铜（含杂质FeO）为原料制取氯化铜晶体（CUCl2·2H2O）的生产流程如下：
该流程中两次加入CuO，第一次是将Fe3+转化为Fe（OH）3达到除尽Fe3+目的，第二次是将Cu2+转化为Cu（OH）2。那么，用CuO调节pH除溶液中Fe3+真的能实现吗？CuO能促进溶液中Cu2+水解转化为Cu（OH）2吗？如果能，对加入的CuO的量是如何控制的？
二、实验原理
Fe3+水解产生H+，CuO消耗H+促进Fe3+水解。根据Fe（OH）3、Cu（OH）2的溶度积（室温下分别为：4×10-38、2.6×10-19）[1]可以计算出Fe3+沉淀完全时（Fe3+的浓度小于10-6mol/L）的pH约为3.5。而如果Cu2+为2.6mol/L时，Cu2+开始沉淀时的pH约为4.5;如果Cu2+为0.26mol/L时，Cu2+开始沉淀时的pH为5.0;如果Cu2+为0.026mol/L时，Cu2+开始沉淀时的pH为5.5。因此，我们只需要判断向溶液中加入过量的CuO固体时溶液的pH变化情况，就可以确定向Cu2+和Fe3+混合溶液中加入CuO调节pH以除去Fe3+是否可行以及Cu2+是否水解转化为Cu（OH）2及需要控制的CuO的量了。
三、實验方案设计
向相同pH的FeCl3溶液、CUCl2溶液以及稀盐酸中同时加入等量的过量的CuO粉末，通过数字化实验传感器测定溶液pH值随时间变化的曲线，对数据进行比较分析。
四、实验试剂及仪器
实验试剂：约0.04mol/LFeCl3溶液、约0.04mol/LCUCl2溶液、浓盐酸，CuO固体粉末。
实验仪器：威尼尔数字化实验仪器（pH传感器、磁力搅拌器）、100mL锥形瓶、铁架台、球形干燥管。
五、实验装置及构造
六、实验步骤及现象
1.分别向三个100mL锥形瓶中加入磁力搅拌器磁子，再分别加入约60mL0.04mol/LFeCl3溶液、60mL0.04mol/LCUCl2溶液、60mL蒸馏水，按实验装置连接好仪器，打开磁力搅拌器，调节到相同搅拌速率。打开程序，读取三组pH值。然后分别向三个锥形瓶中滴加浓盐酸，使三种溶液起始pH相同都约为2.00。开始数据采集。
2.通过球形干燥管同时向锥形瓶中加入约25gCu0固体粉末。采集550s数据，pH随时间变化曲线见图2（1-盐酸，2-CUCl2溶液，3-FCCl3溶液）。
3.重复操作1和2，不同的是调节起始pH都约为2.28，采集10000s数据，pH随时间变化曲线见图3（1-盐酸，2-CuCl2溶液，3-Fecl3溶液）。
七、实验结果分析
从图2的pH随时间变化曲线分析可知：
1.曲线3在550s时pH为4.0，大于3.5，说明Fe3+沉淀完全。得出用CuO调节pH可以除尽溶液中Fe3+。
2.前400s曲线3的pH值变化明显比曲线2小，说明存在铁离子水解平衡并且铁离子水解程度比铜离子强。
从图3的pH随时间变化曲线分析可知：
3.起始pH相同的三种溶液加入等量的过量的CuO粉末，最终得到的溶液pH不相同，说明溶液最终pH值与最终溶液中铜离子浓度密切相关。当加入过量的Cuo粉末后，最终得到的溶液pH都大于3.5，说明Fe3+沉淀完全。即向含Fe3+溶液中加入过量CuO都能除尽Fe3+。
4.曲线2为什么会出现pH值先增大后减小直至不变情况？分析图2和图3中曲线2和曲线1变化趋势，推测可能是Cu2+水解程度小、速率慢，加入CuO首先消耗的是加进去的盐酸，后来才是Cu2+的水解，导致pH反而减小。因此，设计向60mL约0.04mol/LCu-Cl2溶液中直接加入过量的CuO粉末测定pH随时间变化曲线见图4。经过对图形曲线变化分析，结果符合推测，而且也从反应后的体系中观测到有蓝色固体生成。因此，得出结论：CuO也能促进溶液中 Cu2+水解转化为Cu（OH）2。因此，要实现向CUCl2和FeCl3的混合溶液中加入CuO除Fe3+而Cu不沉淀的目的，必须预测反应后的Cu2+浓度以便于控制加入CuO的量来调节pH达到除尽Fe3+而cu2+不沉淀的目的。
七、创新特色
用数字化实验将用CuO调节pH以除尽溶液中Fe3+的过程可视化，证实了用CuO能除尽溶液中Fe3+以及通过调节pH达到除尽Fe3+而Cu2+沉淀的目的。
参考文献
[1]严宣申.化学原理宣讲[M].海口：南方出版社，2001（7）：243
摘要：在很多高考模拟题中都出现用CuO调节pH除溶液中Fe3+的操作，但在实际教学中却有不少师生对此困惑：真的能除尽吗？为什么溶液中Cu2+不沉淀？本实验通过数字化仪器分别测试和展现向稀盐酸溶液、氯化铜溶液、氯化铁溶液中加入固体CuO后溶液pH随时间的变化，得出用CuO调节pH除Fe3+的可行性以及如何控制CuO加入量达到Cu3+不沉淀的目的。
关键词：数字化实验;CuO调节pH;除Fe3+
文章编号：1008-0546（2018）10-0092-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
一、问题提出
在很多高考模拟试题中都出现用CuO调节pH除溶液中Fe3+的操作，如：工业上用粗氧化铜（含杂质FeO）为原料制取氯化铜晶体（CUCl2·2H2O）的生产流程如下：
该流程中两次加入CuO，第一次是将Fe3+转化为Fe（OH）3达到除尽Fe3+目的，第二次是将Cu2+转化为Cu（OH）2。那么，用CuO调节pH除溶液中Fe3+真的能实现吗？CuO能促进溶液中Cu2+水解转化为Cu（OH）2吗？如果能，对加入的CuO的量是如何控制的？
二、实验原理
Fe3+水解产生H+，CuO消耗H+促进Fe3+水解。根据Fe（OH）3、Cu（OH）2的溶度积（室温下分别为：4×10-38、2.6×10-19）[1]可以计算出Fe3+沉淀完全时（Fe3+的浓度小于10-6mol/L）的pH约为3.5。而如果Cu2+为2.6mol/L时，Cu2+开始沉淀时的pH约为4.5;如果Cu2+为0.26mol/L时，Cu2+开始沉淀时的pH为5.0;如果Cu2+为0.026mol/L时，Cu2+开始沉淀时的pH为5.5。因此，我们只需要判断向溶液中加入过量的CuO固体时溶液的pH变化情况，就可以确定向Cu2+和Fe3+混合溶液中加入CuO调节pH以除去Fe3+是否可行以及Cu2+是否水解转化为Cu（OH）2及需要控制的CuO的量了。
三、實验方案设计
向相同pH的FeCl3溶液、CUCl2溶液以及稀盐酸中同时加入等量的过量的CuO粉末，通过数字化实验传感器测定溶液pH值随时间变化的曲线，对数据进行比较分析。
四、实验试剂及仪器
实验试剂：约0.04mol/LFeCl3溶液、约0.04mol/LCUCl2溶液、浓盐酸，CuO固体粉末。
实验仪器：威尼尔数字化实验仪器（pH传感器、磁力搅拌器）、100mL锥形瓶、铁架台、球形干燥管。
五、实验装置及构造
六、实验步骤及现象
1.分别向三个100mL锥形瓶中加入磁力搅拌器磁子，再分别加入约60mL0.04mol/LFeCl3溶液、60mL0.04mol/LCUCl2溶液、60mL蒸馏水，按实验装置连接好仪器，打开磁力搅拌器，调节到相同搅拌速率。打开程序，读取三组pH值。然后分别向三个锥形瓶中滴加浓盐酸，使三种溶液起始pH相同都约为2.00。开始数据采集。
2.通过球形干燥管同时向锥形瓶中加入约25gCu0固体粉末。采集550s数据，pH随时间变化曲线见图2（1-盐酸，2-CUCl2溶液，3-FCCl3溶液）。
3.重复操作1和2，不同的是调节起始pH都约为2.28，采集10000s数据，pH随时间变化曲线见图3（1-盐酸，2-CuCl2溶液，3-Fecl3溶液）。
七、实验结果分析
从图2的pH随时间变化曲线分析可知：
1.曲线3在550s时pH为4.0，大于3.5，说明Fe3+沉淀完全。得出用CuO调节pH可以除尽溶液中Fe3+。
2.前400s曲线3的pH值变化明显比曲线2小，说明存在铁离子水解平衡并且铁离子水解程度比铜离子强。
从图3的pH随时间变化曲线分析可知：
3.起始pH相同的三种溶液加入等量的过量的CuO粉末，最终得到的溶液pH不相同，说明溶液最终pH值与最终溶液中铜离子浓度密切相关。当加入过量的Cuo粉末后，最终得到的溶液pH都大于3.5，说明Fe3+沉淀完全。即向含Fe3+溶液中加入过量CuO都能除尽Fe3+。
4.曲线2为什么会出现pH值先增大后减小直至不变情况？分析图2和图3中曲线2和曲线1变化趋势，推测可能是Cu2+水解程度小、速率慢，加入CuO首先消耗的是加进去的盐酸，后来才是Cu2+的水解，导致pH反而减小。因此，设计向60mL约0.04mol/LCu-Cl2溶液中直接加入过量的CuO粉末测定pH随时间变化曲线见图4。经过对图形曲线变化分析，结果符合推测，而且也从反应后的体系中观测到有蓝色固体生成。因此，得出结论：CuO也能促进溶液中 Cu2+水解转化为Cu（OH）2。因此，要实现向CUCl2和FeCl3的混合溶液中加入CuO除Fe3+而Cu不沉淀的目的，必须预测反应后的Cu2+浓度以便于控制加入CuO的量来调节pH达到除尽Fe3+而cu2+不沉淀的目的。
七、创新特色
用数字化实验将用CuO调节pH以除尽溶液中Fe3+的过程可视化，证实了用CuO能除尽溶液中Fe3+以及通过调节pH达到除尽Fe3+而Cu2+沉淀的目的。
参考文献
[1]严宣申.化学原理宣讲[M].海口：南方出版社，2001（7）：243
