X射线衍射和热重法分析五水硫酸铜的结构和失水过程

□顾运琼，胡飞龙，黄志伟，何 军，谭明雄*

（玉林师范学院 化学与材料学院，广西 玉林 537000）

现代仪器分析法对大学无机化学实验教学有很好的辅助作用.本文使用X射线衍射和热重法等法能更直观、准确地说明五水硫酸铜的晶体结构和失水过程.硫酸铜是一种重要的铜盐，在理科类和工科类化学专业的无机化学实验或普通化学实验教材中均有关于五水硫酸铜的制备或提纯实验，有不少学校还增加了五水硫酸铜的失水过程实验，以了解结晶水合物中结晶水的脱水过程[1,2].通常的方法是把一定量的结晶水化合物置于已灼烧至恒重的坩埚中，加热至较高温度脱水，冷却至室温，由结晶水合物经高温加热后的失重值，确定结晶水合物中所含的结晶水[3,4].但是五水硫酸铜的失水过程是固态反应的一种，它要比均相反应复杂得多，由于压力不同、粒度不同、升温速率不同，有时可以得到不同的脱水温度及脱水过程，因此传统五水硫酸铜失水过程只可能是某一特定条件下的宏观反映并不能表示五水硫酸铜失水的实际过程，利用热重法可以很好地检测物质温度-质量变化关系[5].现代仪器分析仪X射线衍射法在测定无机分子、有机分子、生物大分子的空间结构时，能提供完整而准确的物质结构信息[6,7]，应用X射线衍射法研究五水硫酸铜的晶体结构，分析五个结晶水的结合方式，让学生形象地“看见”无水硫酸铜的原子和分子；应用热重分析法不仅较好地阐明了五个结晶水失水的三个步骤和热量损失过程，还能结合无水硫酸铜的晶体结构分析五个结晶水的结合环境和稳定性.

1 X射线衍射法分析五水硫酸铜的晶体结构

通过X衍射分析实验表明，在CuSO4·5H2O的晶体结构中（图1），每个Cu2+有五个水分子结合，其中有四个水分子为配位水分子，即O5、O6、O5i、O6i中的水分子，它们以平面四边形配位在Cu2+周围，第五个水分子(即O9中的水分子)以氢键与2个配位水分子和硫酸根结合，2个SO42-离子在平面四边形的上和下，形成一个不规则的八面体，如图1中的阴影部分.

2 热重分析(TG)法研究五水硫酸铜的失水过程

选用一定质量的待测硫酸铜晶体放在试样皿上，使用热重分析仪在程序控制温度下研究样品质量与温度变化情况.通过热重分析实验，从硫酸铜晶体TG曲线（图2）可以形象看到，随着温度的升高，硫酸铜晶体脱水反应的三个步骤.

第一步骤是CuSO4·5H2O在375K温度下，最先失去两个配位水，这两个水是以配位键与铜离子结合，较易失去.即图1中以Cu2+为中心的平面四边形顶点的四个配位水中的两个水分子（即O5i与O6i的水分子）；第二步骤是CuSO4·3H2O在386K温度下，失去另外两个配位水分子，由于这两个水分子不但存在配位键与铜离子结合，还存在氢键(即O5与O6的水分子)，其与外部的一个水分子(即O9中的水分子)以氢键结合.因此要脱去这两个结晶水需要的能量比脱去前两个结晶水的能量高一些，要温度升高一些才能脱去.第三个步骤是CuSO4·H2O失去最后一个结晶水，这个水分子以氢键与2个配位水分子和硫酸根结合（即O9中的水分子），即它的氢原子与周围的SO42-离子中的氧原子之间形成氢键，它的氧原子又和与铜离子配位的水分子的氢原子之间形成氢键，总体上构成一种稳定的环状结构，因此破坏这个结构需要较高能量，从而使键断裂脱去转变为无水硫酸铜.

CuSO4·5H2O晶体在不同温度下按下列反应逐步脱水：

3 结论

以上分析结果与无机化学知识所讨论的结果相吻合，说明此方法是可行的，采用X 射线衍射法与热重分析法对五水硫酸铜晶体的结构和失水过程进行研究，不仅能清楚看到硫酸铜和五个水分子的结合环境，还能科学地阐明五水硫酸铜失水的过程及其质量与温度的变化关系，更准确地得出失水的各个步骤中质量的变化量，以及五个结晶水的稳定性.

Fig.1 The structure of CuSO4·5H2O图1 CuSO4·5H2O的晶体结构图

Fig2. The TG curves of CuSO4·5H2O图2 硫酸铜晶体的TG曲线图

[1]王 东，胡 丹，杨丽君.膳食纤维的保健功能[J].中国食物与营养，2006(9)：48～49。

[2]刘成梅，李资玲，梁瑞红等.膳食纤维的生理功能与应用现状食品研究与开发[J]，2006(1)：122～124。

[3]于淑玲.食物纤维－第七营养素[J].生物学教学，2006(5)∶3～4。

[4]梁 敏，潘英明，唐明明等.从柚子皮中提取膳食纤维的研究[J].化工技术与开发，2003(6)∶20～22.