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
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