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“比色法测定铜矿石中铜的含量”的案例分析

2013-12-29孙黎颖

化学教学 2013年12期

摘要:案例以红墨水的小实验引入比色法,侧重以目视比色法测定模拟的铜矿石粉末中铜的含量,然后以分光光度法等方法分析实验误差。案例把中学基础化学实验技能“配置一定物质的量浓度的溶液”、比色法和社会生产联系在一起,循序渐进地引导高中学生全面体验比色法实验。

关键词:铜矿石中铜的含量;比色法;目视比色法;分光光度法

文章编号:1005–6629(2013)12–0053–03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

1 实验方案简介

为了判断矿石是否值得开采,就要测定矿物质的含量。铜矿石的主要成分是碳酸铜。实验室有多种方法测定铜矿石中铜的含量。与其他方法相比,目视比色法方法简单,操作简便迅速。目视比色法和传统的重量法的流程对比见图1。

2 实验仪器和试剂

电子天平(精确到0.001 g)、250 mL烧杯、100 mL烧杯、50 mL量筒、10 mL量筒(二个)、漏斗、洗瓶、15×150 mm小试管(七个、材质相同)、100 mL容量瓶、250 mL锥形瓶、玻璃棒、滤纸、胶头滴管、药匙、2 mol/L稀硫酸、五水合硫酸铜晶体、模拟的铜矿石粉末(2.0 g碳酸铜粉末和8.0 g沙子的混合物,教师自制)、蒸馏水、护目镜。实验时戴护目镜(稀硫酸有腐蚀性,反应产生气体,同时也形成细小的酸雾,会伤害眼睛)。

3 实验原理

表1红墨水的小实验中,按照溶液颜色由深到浅排列试管,顺序为B>C>A=D,按照溶液浓度由大到小排列试管,顺序为B>C>A=D。这说明溶液的颜色深浅和浓度有关,在一定条件下,溶液的颜色愈深,浓度愈大。同种溶液颜色相同,那么浓度就相同。比较溶液颜色深浅来测定有色物质含量的方法叫比色法。比色法实质是利用有色溶液对可见光的吸收来测定物质含量。比色法分为目视比色法和分光光度法,都以朗伯-比尔定律(Lambert-Beer’s law)为基础[1]。目视比色法是用人眼比较有色溶液的颜色深浅以确定物质含量;分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度,对该物质进行定性或定量分析的方法。光的范围从可见光扩展到紫外区和近红外区。它在现代科学研究和生产中发挥了重要的作用。比色法主要包括配制待测溶液,配制标准溶液色阶和比色三个操作步骤[2]。

4 实验操作步骤

(1)配制标准溶液色阶

①称25.0 g五水合硫酸铜晶体,配制100 mL 的1 mol/L硫酸铜标准溶液。把溶液转移至试剂瓶中,贴好标签。

②取6只小试管编号。按照表2,用1 mol/L的硫酸铜标准溶液配制成6种浓度的溶液。

③计算表2中铜离子的浓度,忽略溶液混合后的体积变化。

(2)配制待测溶液

①称取10.0 g铜矿石粉末,放入250 mL烧杯中。

②向烧杯倒入40 mL稀硫酸,混合物不要溢出烧杯。

③反应结束后,过滤混合物。漏斗内贴好滤纸,放置在锥形瓶口上,锥形瓶承接滤液。

④向滤液中加入蒸馏水使待测溶液的体积为100mL。

⑤ 7号试管装10 mL待测溶液。

(3)比色

对比7号试管和硫酸铜标准溶液色阶,找出颜色最接近的试管。比色时有两种方法:方法1,在试管底部垫白纸,向下俯视试管口;方法2,在试管侧面放白纸,从另一侧面观察颜色。7号试管的颜色介于4号和5号试管之间。

(4)计算,确定铜矿石中铜的含量

因为4号试管中铜离子浓度为0.2 mol/L,那么,根据比色法原理,与它颜色相同的待测溶液,铜离子浓度也是0.2 mol/L。实验中待测液的浓度为4号试管和5号试管的平均值0.15 mol/L。从实验可知溶液的体积为100 mL,样本的质量为10.0 g。假设10.0 g样本中铜的质量为x g,则

所以铜矿石样本中铜的质量为0.96 g,铜的含量为9.6%。

以此类推,计算与各标准色阶试管颜色相同的铜矿石中铜的质量,完成表格3。

5 误差分析

有两种方法计算样本中铜的含量,分析误差。

(1)碳酸铜化学式中铜的质量百分比计算样本含量。10.0 g铜矿石样本有2.0 g碳酸铜粉末和8.0 g沙子。理论上,样本中铜的质量m(Cu)=2.0× =1.03 g,样本中铜的含量为10.3%。实际上,碳酸铜的化学式为CuCO3·xH2O,目前无法生产出纯净的碳酸铜,碳酸铜粉末含有其他杂质。所以方法1的结果仅是理想的理论值,没有参考价值,但它提供了一种分析实验数据的方法。

(2)分光光度法测定样本中铜的含量。分光光度法是化学实验室痕量分析最常用的手段,相对误差小于1%。紫外光-可见光分光光度仪分析标准溶液色阶和待测溶液的图形见图2,x轴是光的波长,单位nm,y轴是光的吸光度,从上而下依次为1,2,3,4,5号试管中溶液的工作曲线。6号试管中是蒸馏水,图形与基线重合,所以没有显示。

图2表明,分光光度仪不能分析出浓度相对较高的1~3号试管的吸光度峰值,这说明分光光度法只适于微量的测定。待测溶液的峰值在4号试管和5号试管之间。采集有效数据后作图测定出待测溶液的浓度为0.145 mol/L,见图3。分光光度法的实验结果是10.0 g样本中铜的质量为0.93 g,铜的含量为9.3%。这个结论和目视比色法很接近。

实际操作中很多因素都能造成误差:铜矿石粉末可能没有和硫酸充分反应;铜离子在转移中损耗;试管的颜色影响比色;人的视觉有差别。如有些同学比色时认为待测液和4号、5号甚至3号试管颜色接近。比色不准则失之毫厘谬以千里。目视比色法操作简便迅速,但受主观影响很大,误差较大。分光光光度法比目视比色法更精确更可靠。随着科技的不断进步,现在矿石中铜的含量只要达到0.4%~0.5%就可以开采了,但还要考虑很多外部条件。

6 实验评析

这个实验是英国《经典化学实验》中的案例[3],笔者在教学时根据我国的实际情况进行了改进和扩充,循序渐进地引导高中学生全面体验比色法实验。这个案例的教学要合理安排实验操作流程。过滤的时间约30分钟,这段时间穿插“配置1 mol/L的硫酸铜标准溶液”。英国实验操作技法与我国有不同之处。计算加深了学生对比色法原理的理性认识。

这个实验案例设计突破常规思维就重避轻。“重”学生认知和能力培养,新的化学知识都建构在学生已有的知识基础上,有效培养学生的探究能力和掌握新实验方法的能力。待测物质的模拟配方合理,确保学生实验过程顺利展开。“轻”实验细节,如忽略两种溶液混合时的体积变化,忽略碳酸铜中的其他成分,忽略目视比色法的较大误差。这个实验虽然降低了精确度,但增强了可行性。它仪器简单,操作简便,发挥了承上启下的教学功能,把中学基础化学技能“配置一定物质的量浓度的溶液”、目视比色法、分光光度法和社会生产联系在一起,不失为一个优秀的实验案例。

参考文献:

[1]吴性良等.分析化学原理[M].北京:化学工业出版社,2004:298~302.

[2]人民教育出版社课程教材研究所.高中课程标准实验教科书·实验化学(化学选修6)[M].北京:人民教育出版社,2005:46~49.

[3][英] Kevin Hutchings. Classic Chemistry Experiments. London: The Royal Society of Chemistry,2000:185~188.