用CuO调节pH除Fe3+的数字化实验

蒋佳琪 蒋金虎 黄颖洁

摘要：在很多高考模拟题中都出现用CuO调节pH除溶液中Fe³⁺的操作，但在实际教学中却有不少师生对此困惑：真的能除尽吗？为什么溶液中Cu²⁺不沉淀？本实验通过数字化仪器分别测试和展现向稀盐酸溶液、氯化铜溶液、氯化铁溶液中加入固体CuO后溶液pH随时间的变化，得出用CuO调节pH除Fe³⁺的可行性以及如何控制CuO加入量达到Cu³⁺不沉淀的目的。

关键词：数字化实验;CuO调节pH;除Fe³⁺

文章编号：1008-0546（2018）10-0092-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、问题提出

在很多高考模拟试题中都出现用CuO调节pH除溶液中Fe³⁺的操作，如：工业上用粗氧化铜（含杂质FeO）为原料制取氯化铜晶体（CUCl₂·2H₂O）的生产流程如下：

该流程中两次加入CuO，第一次是将Fe³⁺转化为Fe（OH）₃达到除尽Fe³⁺目的，第二次是将Cu²⁺转化为Cu（OH）₂。那么，用CuO调节pH除溶液中Fe³⁺真的能实现吗？CuO能促进溶液中Cu²⁺水解转化为Cu（OH）₂吗？如果能，对加入的CuO的量是如何控制的？

二、实验原理

Fe³⁺水解产生H⁺，CuO消耗H⁺促进Fe³⁺水解。根据Fe（OH）₃、Cu（OH）₂的溶度积（室温下分别为：4×10^-38、2.6×10^-19）[1]可以计算出Fe³⁺沉淀完全时（Fe³⁺的浓度小于10^-6mol/L）的pH约为3.5。而如果Cu²⁺为2.6mol/L时，Cu²⁺开始沉淀时的pH约为4.5;如果Cu²⁺为0.26mol/L时，Cu²⁺开始沉淀时的pH为5.0;如果Cu²⁺为0.026mol/L时，Cu²⁺开始沉淀时的pH为5.5。因此，我们只需要判断向溶液中加入过量的CuO固体时溶液的pH变化情况，就可以确定向Cu²⁺和Fe³⁺混合溶液中加入CuO调节pH以除去Fe³⁺是否可行以及Cu²⁺是否水解转化为Cu（OH）₂及需要控制的CuO的量了。

三、實验方案设计

向相同pH的FeCl₃溶液、CUCl₂溶液以及稀盐酸中同时加入等量的过量的CuO粉末，通过数字化实验传感器测定溶液pH值随时间变化的曲线，对数据进行比较分析。

四、实验试剂及仪器

实验试剂：约0.04mol/LFeCl₃溶液、约0.04mol/LCUCl2溶液、浓盐酸，CuO固体粉末。

实验仪器：威尼尔数字化实验仪器（pH传感器、磁力搅拌器）、100mL锥形瓶、铁架台、球形干燥管。

五、实验装置及构造

六、实验步骤及现象

1.分别向三个100mL锥形瓶中加入磁力搅拌器磁子，再分别加入约60mL0.04mol/LFeCl₃溶液、60mL0.04mol/LCUCl₂溶液、60mL蒸馏水，按实验装置连接好仪器，打开磁力搅拌器，调节到相同搅拌速率。打开程序，读取三组pH值。然后分别向三个锥形瓶中滴加浓盐酸，使三种溶液起始pH相同都约为2.00。开始数据采集。

2.通过球形干燥管同时向锥形瓶中加入约25gCu0固体粉末。采集550s数据，pH随时间变化曲线见图2（1-盐酸，2-CUCl₂溶液，3-FCCl₃溶液）。

3.重复操作1和2，不同的是调节起始pH都约为2.28，采集10000s数据，pH随时间变化曲线见图3（1-盐酸，2-CuCl₂溶液，3-Fecl₃溶液）。

七、实验结果分析

从图2的pH随时间变化曲线分析可知：

1.曲线3在550s时pH为4.0，大于3.5，说明Fe³⁺沉淀完全。得出用CuO调节pH可以除尽溶液中Fe³⁺。

2.前400s曲线3的pH值变化明显比曲线2小，说明存在铁离子水解平衡并且铁离子水解程度比铜离子强。

从图3的pH随时间变化曲线分析可知：

3.起始pH相同的三种溶液加入等量的过量的CuO粉末，最终得到的溶液pH不相同，说明溶液最终pH值与最终溶液中铜离子浓度密切相关。当加入过量的Cuo粉末后，最终得到的溶液pH都大于3.5，说明Fe³⁺沉淀完全。即向含Fe³⁺溶液中加入过量CuO都能除尽Fe³⁺。

4.曲线2为什么会出现pH值先增大后减小直至不变情况？分析图2和图3中曲线2和曲线1变化趋势，推测可能是Cu²⁺水解程度小、速率慢，加入CuO首先消耗的是加进去的盐酸，后来才是Cu²⁺的水解，导致pH反而减小。因此，设计向60mL约0.04mol/LCu-Cl₂溶液中直接加入过量的CuO粉末测定pH随时间变化曲线见图4。经过对图形曲线变化分析，结果符合推测，而且也从反应后的体系中观测到有蓝色固体生成。因此，得出结论：CuO也能促进溶液中 Cu²⁺水解转化为Cu（OH）₂。因此，要实现向CUCl₂和FeCl₃的混合溶液中加入CuO除Fe³⁺而Cu不沉淀的目的，必须预测反应后的Cu²⁺浓度以便于控制加入CuO的量来调节pH达到除尽Fe³⁺而cu²⁺不沉淀的目的。

七、创新特色

用数字化实验将用CuO调节pH以除尽溶液中Fe³⁺的过程可视化，证实了用CuO能除尽溶液中Fe³⁺以及通过调节pH达到除尽Fe³⁺而Cu²⁺沉淀的目的。

参考文献

[1]严宣申.化学原理宣讲[M].海口：南方出版社，2001（7）：243