废铝材制备明矾的实验条件优化

冉凤琼 谭建红 朱乾华 万邦江

摘要：以废旧铝质易拉罐为原料，运用冷却热饱和溶液的方法，通过对强碱的选择以及碱浓度、硫酸用量、温度等因素对实验结果的影响作了进一步的探究，确定了实验室制备明矾晶体的较佳实验条件。当实验水浴温度T=93℃，VKOH=80mL，cKOH=2mol/L和VH2SO4=62mL，cH2SO4=3mol/L时，制备的明矾晶型较好、产量较高。此方法显著缩短了制备时间，提高了实验成功率。

关键词：废铝材；明矾制备；条件优化；实验探究

文章编号：1005–6629（2016）6–0066–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

明矾又称十二水合硫酸铝钾，是含有结晶水的硫酸钾和硫酸铝的复盐。结晶学分析表明，明矾晶体属于等轴晶系，对称型为3L44L36L29PC，国际符号为m3m，常呈八面体单形出现，也可以八面体、菱形十二面体与立方体的聚形出现，外表规则而富有变化，色泽晶莹透亮[1]。为了保证学生实验的成功率，缩短实验时间，本文采用“氢氧化铝法”探究废铝材制备明矾的实验条件，既有效地利用了废弃资源、变废为宝，又培养了学生的绿色环保意识，对于提高学生的综合素质具有十分重要的意义。

1 实验部分

1.1 主要实验仪器与药品

废旧铝质易拉罐、NaOH、KOH、K2SO4与H2SO4（化学纯）、电子天平、抽滤装置、水浴锅、250mL烧杯、250mL锥形瓶、玻璃棒、pH试纸等

1.2 实验原理

采用“氢氧化铝法”制备明矾晶体主要涉及了以下四步操作：第一步，铝的溶解；第二步，氢氧化铝沉淀的生成；第三步，硫酸铝溶液的形成；第四步，硫酸铝钾溶液的形成。其反应原理如下：

用砂纸将废旧铝质易拉罐内外表面均打磨光滑并剪成小片备用。称取2.0g铝片，置于250mL锥形瓶中，加入一定浓度和体积的强碱溶液，水浴加热（设置水浴锅温度T=93℃），待反应完全后（不再有氢气生成），趁热减压抽滤，收集滤液于250mL烧杯中。将滤液重新置于水浴锅中，用3mol/L的H2SO4调节滤液pH至8～9 [此时不溶性白色絮凝状Al（OH）3沉淀不再产生]后，减压抽滤得到Al（OH）3沉淀，此时洗涤沉淀pH至6～7，将沉淀转移至250mL的烧杯中，边加热边滴入一定浓度和体积的H2SO4溶液。待沉淀全部溶解后加入一定量的固体K2SO4，将得到的饱和澄清溶液冷却降温直至晶体全部析出（一般需要2～3天）。观察晶型，减压抽滤，尽量抽干，获得产品明矾晶体[KAl（SO4）2·12H2O]。用电子天平称量所得明矾晶体的产量[2]（仅讨论产量而不计算产率是因为所取易拉罐质量相等且能完全反应）。

2 结果与讨论

2.1 氢氧化钾和氢氧化钠两种药品的选用对实验效果的影响

通过控制变量法，确定相同强碱溶液浓度（2 mol/L的NaOH、KOH），用3 mol/L 或9 mo/L H2SO4溶液来溶解Al（OH）3沉淀，进行两两对照试验，通过对强碱药品的选择考察不同强碱对明矾产量与晶型的影响。

由表1数据分析发现选用氢氧化钠和氢氧化钾两种药品对明矾产量并没有明显的影响，但是在此实验中晶体形状的好坏也是判断的主要依据。在使用3mol/L硫酸溶解Al（OH）3沉淀时，使用氢氧化钠与氢氧化钾两种方法得到的晶型并无较大区别，都较为聚集地形成了立方体和菱形十二面体。加试一组浓度为9mol/L的硫酸，用氢氧化钾制得的明矾晶型更偏向八面体、菱形十二面体与立方体的聚形，而氢氧化钠制得的晶体形状更接近小颗粒且较为零散（见图2）。又通过对明矾化学式的分析，若选用氢氧化钠就算洗涤沉淀后，晶体中也可能存在较多Na+，对明矾的产量和晶型都带来不必要的影响。最终选择药品KOH。

2.2 不同浓度H2SO4溶液对实验效果的影响

取c=2mol/L，V=80mL KOH溶液，仍用3mol/L的H2SO4调节滤液pH至8～9 [此时不溶性白色絮凝状Al（OH）3沉淀不再产生]，通过改变溶解Al（OH）3沉淀的硫酸浓度探究酸浓度对实验结果的影响。

由表2可以看出在一定条件下，明矾晶体的产量随着硫酸浓度的增大而逐渐减小。

虽然H2SO4浓度为1.5mol/L时产量最高，但所形成的晶体以1/2黄豆球状颗粒大小铺满烧杯底部，没有聚集成立方体和菱形十二面体，比较零散。造成这一现象可能是加入的低浓度硫酸较多，使得硫酸铝钾溶液呈较弱饱和状态[3]。再加上从节约资源的角度考虑，应选择c=3mol/L的硫酸更好。

2.3 不同浓度的KOH对实验效果的影响

不同浓度的KOH对实验的影响主要有两个方面：一是影响铝片溶解的速率，二是对最终形成晶体的影响[3]。取c=3mol/L H2SO4，80mL不同浓度KOH溶液，通过改变氢氧化钾的浓度探究强碱浓度对实验结果的影响。在2.2中已经讨论当c=3mol/L H2SO4，c=2mol/L KOH时对实验结果的影响，所以再设置一组c=3mol/L H2SO4，c=2mol/L KOH但不过滤、洗涤沉淀，探究不过滤、洗涤沉淀对实验结果的影响。

由表3可以看出：当温度一定且过滤、洗涤沉淀时，氢氧化钾的浓度越高，溶解废铝片所花费的时间就越短，但总体相差还是不大；明矾晶体的产量随着氢氧化钾的浓度的增大先增大后减小，当c=2mol/L KOH时，产量最高。

当c=2mol/L左右的KOH时，反应形成的晶体晶型都较其他三种浓度下形成的晶型好。因为在c=1.5mol/L、c=2.5mol/L、c=3mol/L时，所得晶体都呈各种不同的不规则面体状且氢氧化钾的浓度越大，形成的晶体形状越不规则也越小，所以应选择c=2mol/L左右的KOH最好。

虽然KOH浓度都为2mol/L时，不过滤、洗涤沉淀组消耗的药品试剂少，产量也高，可是晶型却次于过滤洗涤沉淀组；除此之外不过滤、洗涤沉淀组得到的晶体产量高也可能是因为带入的离子、杂质更多造成的。为了严谨起见，还是采用c= 2mol/L KOH，c=3mol/L H2SO4并过滤、洗涤沉淀Al（OH）3为最好。

2.4 不同温度条件下对实验的影响

通过2.1、2.2、2.3的探究，取80mL c=2mol/L的KOH和c=3mol/L H2SO4，通过在常温与酒精灯加热两种条件下进行实验，探究温度对实验结果的影响。

2.4.1 常温条件下对实验的影响

在常温下进行反应时，铝屑的溶解反应速率较缓慢，待铝屑完全溶解时所需时间约为87min。因为Al（OH）3沉淀、K2SO4的溶解都与温度有关，在溶解Al（OH）3沉淀时消耗的硫酸多，为了得到饱和的硫酸铝钾溶液从而导致需要的K2SO4量增多，最后能够析出的晶体量少，晶型也不好。

2.4.2 酒精灯加热条件下对实验的影响

用酒精灯加热溶解铝屑时，反应速率较快，约16min时能反应完全。但是由于温度不可控，反应剧烈，溶液会从250mL锥形瓶中溢出，Al（OH）3沉淀和K2SO4的溶解都会因温度给实验带来一定影响。溶解铝屑时会产生氢气，若不能保证产生氢气的浓度在4%～75%时，酒精灯加热又会带来安全隐患。

所以晶体的制备还是应在水浴锅里加热进行，不仅能控制反应进行速率和保证实验安全，还能节省时间、资源，减少不必要的实验误差。

3 总结与存在的问题讨论

以废旧易拉罐为原料制备明矾晶体，通过控制变量法探讨氢氧化钾溶液浓度，硫酸溶液浓度、温度等因素对明矾晶体产量及晶体形态等影响，尤其是氢氧化钾浓度对产量及晶体形态影响最明显。通过条件的逐一确定可得到制备明矾单晶较佳实验条件：溶解2g废制易拉罐，需要体积为80mL的2mol/L氢氧化钾溶液并水浴加热进行（设置水浴锅温度T=93℃）；溶解完全后通过减压抽滤得到的滤液，需要体积约为42mL的3mol/L H2SO4调节pH至8～9，得到的白色絮状物Al（OH）3沉淀在减压抽滤时再调节pH至7左右；此时的Al（OH）3沉淀需滴加体积约为62mL 3mol/L H2SO4进行溶解，待完全溶解后加入7g左右的K2SO4（g），得到较为饱和的KAl（SO4）2澄清溶液。从晶体图片可以看出所得晶体属于等轴晶系，有玻璃光泽，符合明矾晶体外形。

本实验中，明矾晶体的产量与晶型是判断实验优化条件的主要依据，而晶体的析出生长还与许多因素有关，如溶液的过饱和度、pH、环境相成分、溶剂和杂质等内在因素也会影响晶体的生长速度；涡流、温度、杂质、粘度、结晶速度等外部因素又会影响晶体的生长形态[4]。除了这些不可控的影响因素会给实验结果带来误差，还包括选择的废旧铝制易拉罐中Mg、Zn等杂质含量；实验过程中每一次减压抽滤、转移都存在不同程度的损失；在溶解硫酸钾得到硫酸铝钾溶液时，很难使每组实验的饱和度都达到一致，这样可能会产生弱饱和、一般饱和与过饱和3种状态，这种现象对实验结果的影响也是显著的。

参考文献：

[1]石林权，沈忠悦.晶体的培养与表征实验[J].教育教学论坛，2011，（32）：69～71.

[2]马毓晨.回收铝制备明矾晶体的实验探究[J].中国科教创新导刊，2010，（6）：61.

[3]王丹，鲍正荣，李小燕，帅常文.快速制备明矾大晶体的条件探究[J].现代商贸工业，2007，（5）：205.

[4]陈双莉，车金龙，白光辉.废铝制备明矾单晶[J].应用化工，2011，（6）：1052～1058.