案例：硫酸铜晶体的制备

社会综合实践活动学习案例 硫酸铜晶体的制备

第 1 页 共 6 页 学生设计类学习活动案例

硫酸铜晶体的制备

石龙三中 陈佩霞

一、设计主题

在初中化学书中，教师通常在课堂上使用冷却热饱和溶液的方法制备硝酸钾或明矾晶体。但如果把制备方法教给学生，让学生自己制备硫酸铜晶体（硫酸铜外观更漂亮，更受学生欢迎），学生的成就感和对化学的学习兴趣回大大提高。而实际操作中，学生制备的硫酸铜晶体的析出不够理想，晶体较小。而且，学生在同样的实验操作条件下，得到的产品收率和外观却总是千差万别。对此学生常会提出各种各样的问题。为了能够制备出大的、具有规则外形的硫酸铜晶体，提高实验的重现性及产率，减少实验的步骤及实验所需时间，有必要对实验进行改进，在多次实验过程中，学生的实验技能可大大提高。

二、活动目的

1、通过对网络查找化学资料，培养社会实践能力，提高整理、分析资料的学习能力，以及掌握调查研究的方式、方法。

2、通过对影响硫酸铜晶体析出条件的探究，复习巩固溶解度、溶液的过饱和度，并培养学生的实验操作能力，了解结晶方法。

3、通过活动的开展，把知识转化成其自身的能力，把课堂更多地延伸到课外，培养学生学习化学的兴趣和信心。

三、活动计划

1、活动对象：九年级学生；

2、活动时间：综合实践课

3、活动内容：制备硫酸铜晶体。

四、活动过程

1、准备阶段 社会综合实践活动学习案例 硫酸铜晶体的制备

第 2 页 共 6 页 （1）查阅资料与实验设想

结晶与溶质在溶剂中的溶解度和结晶过程中的操作方式等有关，溶液的过饱和度是结晶的主动力。硫酸铜晶体属三斜晶系，要获得颗粒较大的理想晶体，需要严格控制溶液的过饱和度，溶液蒸发或冷却的速度，晶种的数量，溶液的pH值，共存的杂质及其它相关条件等。

在本次实验中，我们将着重对溶液的过饱和度、pH值、冷却速度及温度、加入晶种的种类及数量进行探究。

（2）主题讨论：让学生开展讨论，选择和确定学生所反映的各个方面的内容。

（3）分组活动。对所确定的内容：溶液的过饱和度、pH值、冷却速度及温度、加入晶种的种类及数量进行分组实验，让学生自由地选择比较特长的部分进行实践活动。

（4）成立筹备小组的负责机制，让有责任心的小组长统筹所有的工作，并实时将问题与老师汇报，探讨解决的方法。

2、实施阶段

1. 查阅资料：

同学们在老师和科代表的发动下，大家积极参与资料的准备工作，有的同学负责制上网收集资料，有些同学图书馆里认真的阅读文献，希望可以为这次活动提供有用的资料……

最终确定具体安排：

第一小组 第二小组 第三小组 第四小组

对溶液过饱和度的探究 对作晶种的材料的探究 对饱和溶液pH值的探究 对过饱和溶液的冷却速度的探究

小组长：

第一小组：杨光 第二小组：叶丽晶 第三小组：苏灿森 第四小组：姚嘉明

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第 3 页 共 6 页 2. 实验用品准备：

实验仪器：天平、大烧杯（250mL）、小烧杯（150mL）玻璃棒、酒精灯、石棉网、pH试纸、温度计

实验药品：无水硫酸铜、稀硫酸

3. 实验步骤：

（1）对溶液过饱和度的探究（第一小组）：

取六只盛有100g水的250mL的烧杯，分别加入30g、40g、50g、55g、60g、70g无水硫酸铜，加热使固体溶解，并控制过饱和溶液的pH值为2—3之间；静置，使其在室温下缓慢结晶。

（2）对作晶种的材料的探究（第二小组）：

将溶解度为50g、pH值为2的硫酸铜溶液分装在四只150mL的小烧杯中，分别加入：较规则的CuSO4小晶体、棉线、铜丝作为晶种，最后一只烧杯不加任何晶种。自然冷却结晶。

（3）对饱和溶液pH值的探究（第三小组）：

在三只150mL、溶液溶解度为50g的小烧杯中滴加2mol·L 的稀硫酸，分别调整pH值为1、2、3、4，自然冷却结晶。

（4）对过饱和溶液的冷却速度的探究（第四小组）：

在三只150mL、装有100g水的小烧杯中加入50g硫酸铜，加热溶解。调整pH值为2。对三份溶液分别作如下处理：第一份在室温下自然冷却结晶；第二份用自来水快速冷却结晶；第三份保持在35℃左右水浴中4小时后再自然冷却。

五、活动结果

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第 4 页 共 6 页 活动进行非常顺利，同学们都非常顺利地完成实验并达到预期的目的，可见我们的充分准备是有成效的。最后，有老师提供实验报告表格，实验后由同学填写。（表格及填写内容如下表一至四）

表一、溶液过饱和度对晶体形成的影响（室温约23℃）

加入硫酸铜的质量（g） 溶液颜色及结晶情况

30 溶液为浅蓝色，放置两周后仍无晶体析出

40 溶液为蓝色，一周后开始有晶体析出，晶体细小且量少，但较规则

50 溶液为蓝色，两天后开始析出晶体。晶型较规则，颗粒较大，数量较多，不粘结

55 溶液蓝色，约一天后开始析出晶体。颗粒大，外形规则，数量较多，不粘结。可作晶种或由其继续长大至大型晶体

60 溶液为蓝色，12小时后即长出晶体，晶体颗粒大，但粘结，晶型不规则，较难用于演示

70 溶液为湛蓝色，12小时后长出晶体。晶体量多，但都粘结且堆积在烧杯底部，失去了规则的外形

表二、不同晶种对晶体形成的影响

晶种类型 结晶情况

自然结晶 晶型规则，颗粒较大，但量不多

棉线 大量成锥形的细小晶体成串地附着在棉线上，无规则的外形

铜丝 成串锥形晶体连接在铜丝上，外型不规则，生长缓慢

CuSO4小晶体 在原来的规则晶体基础上继续生长，外形佳，为单个晶体，几天后在烧杯底部也有少量晶体析出

表三、不同pH值对晶种形成的影响

pH值 结晶情况

1 产生大量晶体，但颜色较浅，且疏松易破碎

2 晶型好，产量较高，晶体为蓝色，较致密

3 晶型较好，但是产率不高

4 晶型较好，但是产率低

表四、不同温度对晶体形成的影响

温度控制 结晶情况

快速冷却 晶体细小，过碎，晶型不完整

自然冷却 析出晶体较多，晶型较完整

水浴加热（35℃）后冷却 晶体较多，晶型完整

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六、实验结果讨论

实验结束后，同学们经过几天的资料整理与归纳，由每一组学生代表发言，最终整理如下：

1. 第一组：对溶液过饱和度对晶体形成影响的归纳如下：

硫酸铜在水里的溶解度较大。20℃时硫酸铜的溶解度为21g，即20℃时100mL水中可溶解硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O）36g。因此，我们认为从理论上讲，在100mL水中加40gCuSO4·5H2O，在室温（20～25℃）条件下很难有“若干小晶体生成”。

另外，我们查阅资料知道：如果溶液的过饱和度很大，液体的粘度就很高，晶核的形成速率很快，晶核过多，粒径变小。因此，若要得到较大的晶体，应严格控制溶液的过饱和度。

2. 第二组：不同晶种对晶体形成的影响的归纳如下：

根据结晶原理：晶体的生长是溶质在晶核表面不断堆积的结果，对澄清的过饱和溶液，在介稳区内是不会产生晶核的，必须靠外界加入的晶种，才能使溶液中的溶质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。因此，我们总结得出：如果晶核太多，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，少量的硫酸铜细晶在溶液中分散性较好，容易形成大晶体。这一点，突出表现在了：用棉线作晶种，由于棉线表面存在着大量细小的棉纤维，形成大量的晶核，因此在棉线上“挂”了大量的、不成型的硫酸铜晶体。

3. 第三组：不同pH值对晶种形成的影响的归纳如下：

pH值是一个非常重要的操作条件。查阅资料可知：在溶液中加酸，一方面是为了防止加热使Cu2+水解生成碱式硫酸铜沉淀。另一方面，在CuSO4溶液中加入稀H2SO4，因为产生了同离子效应，使CuSO4的溶解度减小，从而使析出的硫酸铜晶体数量增多。

实验结果表明，酸性强（即pH<1），收率高、晶体大，但是晶体颜色浅，且晶体很疏松，易破碎，可能原因是硫酸具有吸水性，使硫酸铜晶体的结晶水含量降低。酸性弱（即pH≥4），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。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。

4. 第四组：不同温度对晶体形成的影响的归纳如下：

根据结晶原理，低温成长的晶体是呈透明状的完整晶体，高温下成长的晶体多为混浊状态，晶体一般易于发生龟裂。同时在结晶成长的时候，冷却速度不宜过快，一般采取室温自然冷却，否则细小晶体增多，晶型也不完整。因此，在析晶前要进行缓慢降温，并严格控制终点温度的恒定。在实验过程中，建议冷水进行冷却不用用自然冷却的方法。

七、收获与体会