纳米ZnO2的制备
实验报告
班级：应091-4
组号：第九组
指导老师：翁永根老师
成员：任晓洁 8
邵凯 9
希静 2
【实验目的】
1.了解纳米氧化锌的基本性质及主要应用
2.通过本实验掌握纳米氧化锌的制备方法
3.对于纳米氧化锌的常见产品掌握制备原理和方法，并学会制备简易产
品。
4.通过本实验复习并掌握EDTA溶液的配制和标定，掌握配位滴定的原
理，方法，基准物质的选择依据以及指示剂的选择和pH的控制。
5.掌握基础常用的缓冲溶液的配制方法和原理。
6.加深对实验技能的掌握及提高查阅文献资料的能力。
【实验原理】
1. 超细氧化锌是一种近年来发展的新型高功能无机产品，晶体为六方结构，其颗粒大小约在1～100纳米。纳米氧化锌由于颗粒小、比表面积大而具有许多其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的特殊的性质，呈现表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点。近年来发现它在催化、光学、磁学、力学等方面展现出许多特殊功能，使在瓷、化工、电子、光学、生物、医药等许多领域有重要的应用价值，具有普通氧化锌所无法比较的特殊性和用途。纳米氧化锌在纺织领域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌剂、荧光材料、光催化材料等。纳米氧化锌一系列的优异性和十分诱人的应用前景。
2. 纳米氧化锌的制备方法主要有：水热法，均相沉淀法，溶胶一凝胶法，微乳液法，直接沉淀法
3. 本工艺是将锌焙砂（主要成份是ZnO，主要伴生元素及杂质为铁，铜，铅，镍，铬，镍，此外，还含有其它微量杂质，因而用锌焙砂直接酸浸湿法生产活性氧化锌，必须利用合理的酸浸及除杂工艺，分离铅，脱铁、锰，除钙、镁等重金属）与硫酸反应，生产出粗制硫酸锌，加高锰酸钾、锌粉等，经过提纯得到精制硫酸锌溶液后，再经碳化母液沉淀，制得碱式碳酸锌，最后经烘干，煅烧制成活性氧化锌成品。
4. 氧化锌含量的测定采用配位滴定法测定，用NH
3-NH
4
Cl缓冲溶液控
制溶液pH≈10,以铬黑T为指示剂，用EDTA标准溶液进行滴定，其主要反应如下：
在氨性溶液中：
Zn2++4NH
3?Zn(NH
3
)
4
2+
加入EBT（铬黑T）时：
Zn(NH
3)
4
2++EBT（蓝色）?Zn-EBT（酒红色）+4NH
3
滴定开始-计量点前：
Zn(NH
3)
4
2++EDTA?Zn-EDTA+4NH
3
计量点时：
Zn-EBT（酒红色）+EDTA?Zn-EDTA+EBT（蓝色）
5.活性ZnO的应用：
因为活性ZnO具有抗菌，除臭以及除异味等多种作用，本实验制备系列产品，看是否具有除异味的功效，在活性氧化锌中掺杂一定量的银，对常见皮肤病有一定的治疗功效，制备治疗脚气的产品。
【实验仪器及试剂】
1.实验仪器：
分析天平，托盘天平，玻璃棒，水浴锅，布氏漏斗，吸滤瓶，滤纸，真空泵，温度计，电热套，烧杯（400ml一个，250ml两个，100ml一个，50ml一个），锥形瓶（250ml两个）洗瓶，pH试纸（1-14），蒸发皿，石棉网，胶头滴管，碱式滴定管，高温炉，烘箱，蒸发皿，容量瓶（250ml），25ml的移液管，注射用玻璃瓶两个，喷雾式塑料瓶一个。
2.实验试剂：
锌焙砂，锌粉，ZnO，H
2SO
4
溶液(3mol／L)，KMnO
4
溶液（0.1 mol／
L），NH
4HCO
3
(s)，EDTA标准溶液（0.01795 mol／L），HCl溶液
（0.1 mol／L），铬黑T指示剂，NH
3·H
2
O(25%-28%),NH
3
-NH
4
Cl缓
冲溶液(pH≈10),80%水合肼，AgNO
3溶液（1mol／L），CaCO
3
(s)，
滑石粉，凡士林，TiO
2
成品（s），蒸馏水。
【实验步骤】
一．活性ZnO的制备
1.酸解：
（1）称取10g锌焙砂于150ml的锥形瓶中，加入35ml3mol／L的
H 2SO
4
溶液，置于80℃的水浴锅中加热反应50min，每隔1-
2min摇晃一下，保证反应的均匀性，反应完毕后向锥形瓶
加入15ml蒸馏水，将锥形瓶放在电炉上加热煮沸后减压过
滤。
（2）将滤纸上的残渣洗涤干燥后称重，将滤液转移至另一干净的锥形瓶。
2.除铁：
（1）向滤液中加入0.1 mol／L的 KMnO
4
溶液至溶液颜色不在变化，将溶液中存在的Fe2+离子氧化为Fe3+离子。
（2）调节溶液pH：向溶液中加入适量的ZnO调节溶液pH值为5左右。（加入的ZnO的质量要记录，因为计算产量时要将加
入的ZnO的量除去）加热煮沸3min左右，减压过滤除去溶
液中的Fe3+离子。将滤液转移至干净的烧杯中。
3.除重金属离子：
（1）向所得滤液中加入0.1g锌粉，将烧杯置于80℃的水浴锅中
搅拌10min，减压过滤。
（2）将所得滤液转移至干净的400ml的烧杯中。
4.制备ZnO：
（1）向所得滤液中加入适量蒸馏水至溶液的总体积到100ml
（2）在温度低于35℃的条件下向溶液中分批加入9g NH
4HCO
3
(s)
并不断搅拌10min，减压过滤，充分洗涤滤饼，以保证其
他杂质离子能够除干净。
（3）将所得滤饼转移至蒸发皿上置于240℃的烘箱烘干。
（4）将成品置于高温炉煅烧两小时
（5）将煅烧后的ZnO称重，计算产量。
二．活性ZnO的含量测定以及应用
1.ZnO的定量分析
(1)用分析天平准确称取0.4g氧化锌产品于50ml的小烧杯中，用0.1
mol／L的盐酸溶解，溶解后完全定量转移至250ml的容量瓶中，
用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。
(2)用25ml的移液管移取配置好的Zn2+溶液于250ml的锥形瓶中，用
胶头滴管滴加25%-28%的 NH
3·H
2
O至溶液中刚好出现白色沉淀为
止，加入10ml NH
3-NH
4
Cl缓冲溶液，调节溶液pH值到10左右，摇
匀，加入20ml蒸馏水，滴加三滴铬黑T指示剂，振荡摇匀，用已
标定的准确浓度的EDTA标准溶液滴定，记录消耗的EDTA溶液的体积，
(3)平行滴定两次，并且做空白组。
(4)计算制备产品活性氧化锌的含量。
2.ZnO制备除异味产品和治疗脚气的产品
称取一定量的ZnO产品按照ZnO：Ag=50:1的比例加入一定量的1mol ／L 的AgNO
3
溶液，在水浴上挥发至干，加入3-4ml的水合肼，在水浴上挥发至干即得到制备治疗脚气以及除异味的产品原料。放入研钵中充分研磨，待用。
（1）除异味产品制备：
取上述制备的产品原料适量于烧杯中，加入定量的蒸馏水配制成5%的溶液，用玻璃棒充分搅拌，即制得除异味的试剂，将制得的成品装入指定的喷瓶中，试用，并跟踪记录产品效果。
（2）治疗脚气的产品制备
取研磨好的产品原料于50ml的小烧杯中，加入适量的凡士林，用玻璃棒充分搅拌，直至变成粘稠状，即的产品。装入指定的容器中，试用，跟踪并记录产品效果。
3.ZnO用于防晒霜的制备
称取适量的氧化锌，按照氧化锌0.4g，二氧化钛0.6g，
CaCO
3
1g，滑石粉3g，的配比，将对应质量的ZnO，二氧化钛，
CaCO
3，
滑石粉置于研钵中充分研磨，之后用指定的筛子过筛，得到氧化锌制得的防晒霜产品。将产品装入制定的瓶中，试用，记录并跟踪产品效果。
【实验现象】
1.纳米ZnO的制备：
加入H
2SO
4
溶液后有一股刺鼻的气味产生，溶液变为浑浊的白色。加热
之后变为浅色的灰蓝色，滴加高锰酸钾溶液后溶液颜色变深，随着加入氧化锌调节溶液的pH值，溶液变为棕白色，加热之后变成棕黄色。
在分批加入碳酸氢铵的过程中，烧杯中有大量的白色泡沫状的物质产生，随着反应的进行和碳酸氢铵的不断加入，产生的白色泡沫状物质逐渐减少，溶液最后变为变色粘稠状的物质。
减压抽滤过后，得到白色粉末状物质。经过烘干以及高温煅烧后得到白色粉末状的活性氧化锌。
2.应用产品的制备：
（1）制备防晒霜：将ZnO，二氧化钛，CaCO
3，
滑石粉置于研钵中研磨的过程中，随着研磨的不断进行，物质逐渐变为白色粉末状，，过筛后得到颗粒极细的白色粉状物质。
（2）制备除异味以及治疗脚气的产品：
加入AgNO
3
溶液后粉末状的氧化锌逐渐成块，随着水浴加热反应的进行，溶液颜色逐渐变深，由氧化锌最初的白色逐渐变为棕灰色物质，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。
取适量上述原料加入凡士林后，随着不断地搅拌，混合物逐渐变得粘稠，最后变为棕色粘稠状物质。
适量原料加入对应量的蒸馏水后逐渐溶解，最后得到棕灰色溶液。【注意事项】
1.蒸馏水的质量是否符合要配位滴定中十分重要的问题：
（1）若配制溶液的水中含有Al3+，Cu2+等，会使指示剂受到封闭，致使终点难以判断；
（2）若水中含有Ca2+，Mg2+，Pb2+，Sn2+等，则会消耗EDTA，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和去离子水来配制溶液。
2.EDTA应贮存在聚乙烯塑料瓶或硬质玻璃瓶中，若贮存在软质玻璃
瓶中，会不断溶解玻璃中的Ca2+形成CaY2-，使EDTA的浓度不断下降。
3.金属指示剂往往是有机多元酸或弱碱，兼具pH指示剂功能，因此
使用时要特别注意选择合适的pH围。
4.在
【实验数据记录处理】
1.ZnO的制备
名称锌焙砂氧化锌锌粒碳酸氢杂质产品
铵
质量
（g）10.2 1.44 0.14 9．1 0.06 4.73 产量计算：m（ZnO）=m（产品）-m（添加ZnO）
=（4.73—1.44）g
=3.29g
m（锌焙砂）实=m（锌焙砂）—m（杂质）
=（10.2-0.06）g
=10.14g
产率w= m（ZnO）／m（锌焙砂）实×100%
=3.29／10.14×100%
=32.44%
3.ZnO含量测定：
m（ZnO）=0.4078g V（Zn2+）=25.00ml V（蒸馏水）=25.00ml
消耗EDTA的体
积氧化锌第一组氧化锌第二
组空白组
V1（ml） 6.21 5.18 3.49
V2（ml）31.99 31.07 3.81
V（ml）25.78 25.89 0.32 滴定ZnO时消耗的EDTA的体积为：
V（消耗EDTA）=1／2【（V（ZnO）
1-V（空））+（ V（ZnO）
2
-V
（空）】
=1／2【（25.78-0.32）+（25.89-0.32）】
=25.52ml
n（ZnO）～n（EDTA）=V（消耗EDTA）*c（EDTA）
所称取ZnO的总质量为：
m（ZnO）= n（ZnO）*M（ZnO）*10
= n（EDTA）*M（ZnO）*10
= V（消耗EDTA）*c（EDTA）*M（ZnO）*10
=25.52ml*10-3*0.01795 mol／L*81.39*10
=0.3728g
所以：产品中ZnO的含量为：
W= 【m（ZnO）／m（ZnO）称】%
=（0.3728／0.4078）%
=91.43%
4.纳米ZnO应用
（1）制备防晒霜：
名称氧化锌二氧化
钛碳酸钙滑石粉
质量（g）0.4081 0.6035 1.0234 3.0545
（2）制备脚气治疗产品及除异味用液体喷剂：
m（ZnO）=3g V（AgNO
3
溶液（1mol／L））=7.5ml V（水合肼）=3ml
【实验误差分析】
1.除铁过程中，调节PH值时，要加入产品调节，如果用氨水已挥发造
成Zn(OH)
2沉淀过多，会产生[Zn(NH
3
)
4
]OH
2
,溶解较缓慢。
2.制备氧化锌过程中减价过滤时，要充分冲洗滤饼，目的是Zn(OH)
2
未
反应的及附着的杂质离子，检验是否含有硫酸根离子，在洗液中加入
BaCl
2
,无沉淀，即洗干净，否则影响纯度。
3.氧化锌含量测定误差分析：①仪器误差②滴定管读数误差③向Zn2+溶
液中加入氨水调节PH稍微过度，有些许沉淀产生④指示剂用量对实验结果有一定影响
4.影响纳米氧化锌产量的原因可能有：①锌培砂本身含锌量比较低②锌
培砂与H
2SO
4
反应50分钟反应不完全，③加入氧化锌的质量不准确，
实验室的天平不准确，称取的质量偏大，使计算的实际产品产量偏低。
【成本计算】
我们组生产的ZnO产品外观为白色的粉末状，色泽纯正，且经过后期利用生产的氧化锌制备除异味以及治疗脚气的产品，效果显著，所以我们生产的ZnO可以认为质量优质，自我评价为优质氧化锌，所以制定成品价格为30元／公斤。m（ZnO）=3.29g 将其放大一万倍做成本计算，其他相关价格为：
名称锌焙砂电费劳动力水费
价格（元）4.5／公
斤1／度
1240／
人3／吨
需要生产的ZnO质量=3.29*10000=32900g=32.9kg
利用锌焙砂生产氧化锌的产率w=32.44%，所以生产32.9kg的ZnO理论上需要的锌焙砂的质量为m=32.9／32.44%=101.42kg
因为生产中不可避免的有物料的损失，所以至少需要锌焙砂m=105kg
假定工厂有三个人负责生产锌焙砂，法定工作时间里连续工作一天时间里便可完成生产目标。所以基本成本为：
购买原料锌焙砂：105*4.5=472.5元
劳动力成本：6.9*8*3=165元
粗略估算用水不超过半吨，所以水费为：1.5元
粗略估算用电至少2度，所以电费为：2*1=2元
生产中所用其他试剂（H
2SO
4
溶液，NH
4
HCO
3
(s)，KMnO
4
溶液等）成本估
算为：100元
产品销售所得：32.9*30=987元
所以整体收入为：987-472.5-165-1.5-2-100=246元。