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硫酸銅晶體的結構探討
施建輝
國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
n 為何硫酸銅結晶水會分段釋出?
問:「化學計量」此一單元有個問題,提及五水合硫酸銅(CuSO4ž5H2O)加熱,在不同溫度下,會失去某些結晶水而質量減輕,在失去所有結晶水後,在高溫下,硫酸銅(CuSO4)開始分解。有學生問起:為何結晶水會分段釋出?請問如何解釋此一現象。題目如下:
取CuSO4ž5H2O晶體100 mg,置於石英容器內加熱,使其溫度緩緩升高,以觀察其重量變化的情形。其測定結果如圖1所示,回答以下問題:(原子量:H = 1.01 g/mol、O = 16.0 g/mol、Cu = 64.5 g/mol、S = 32.1 g/mol)
圖1:硫酸銅受熱與重量的關係
(1) 若加熱至102℃所得物質重量為85.6 mg,則其化學式為 。
(2) 若加熱至113℃所得物質重量為71.2 mg,則其化學式為 。
(3) 若加熱至258℃所得物質重量為64.0 mg,則其化學式為 。
(4) 若繼續加熱至600℃附近,上一小題(3)所得物質開始分解,生成銅的某種氧化物與硫的氧化物,且重量減少32.0 mg,則此含銅的物質之化學式為 。
(5) 若對此含銅物質繼續強熱至960℃,又減輕3.2 mg,生成銅的另一種氧化物,則最後的物質其化學式為 。
n 解題方式一:化學計量
以化學計量方式,各小題解題如下:
(1) 100 mg的CuSO4ž5H2O晶體加熱至102℃失去部分結晶水,設剩下X個結晶水:
(2) 85.6 mg的CuSO4ž3H2O晶體加熱至113℃繼續失去部分結晶水,設剩下Y個結晶水:
(3) 71.2 mg的CuSO4žH2O晶體加熱至258℃繼續失去部分結晶水,設剩下Z個結晶水:
(4) 64.0 mg的CuSO4加熱至600℃附近開始分解且重量減少32.0 mg,生成銅的某種氧化物與硫的氧化物,分別設CuOm和SO(4-m):
(5) 對此含銅物質繼續強熱至960℃,又減輕3.2 mg,生成銅的另一種氧化物,設此氧化物為CuOn和O(1-m)之和:
n 解題方式二:晶體結構圖
一、五水合硫酸銅晶體的結構與受熱分解的過程如下:
(一)晶體結構圖
五水合硫酸銅晶體的結構,如圖2、3和4所示:
圖2:五水合硫酸銅晶體的結構圖之一 圖3:五水合硫酸銅晶體的結構圖之二
(圖片來源:James E. Huheey, Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity, 3rd Edition.)
圖4:五水合硫酸銅晶體的結構圖之三
(圖片來源:http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper(II)-sulfate-pentahydrate-c-axis-xtal-2007-CM-3D-balls.png.)
(二)結構圖說明
(a) 圖2表示以銅離子(Cu2+)為中心,4個水分子與2個硫酸根為配基,形成六配位的八面體結構。
(b) 圖3表示兩個八面體結構以二個水分子(上下各一)。利用氫鍵結合在一起。
(c) 從圖4計算單位晶格的化學式:1個銅離子有4個水分子直接配位;硫酸根與2個銅離子配位,任一銅離子有2個硫酸根配位,總計1個硫酸根屬於單位晶格;兩個八面體結構以二個水分子利用氫鍵結合在一起,總計1個水分子屬於單位晶格。硫酸銅晶體的化學式:
4個直接配位的H2O+1個SO42−+1個連結單位晶格的H2O,
故硫酸銅晶體的化學式為CuSO4·5H2O。
(三)五水合硫酸銅晶體受熱分解的過程:
(a) 五水合硫酸銅晶體的結構示意圖,如圖5所示。(為說明水合水的配位鍵結和氫鍵,此圖以兩單位的五水合硫酸銅((CuSO4ž5H2O)2)描述之,計有2個CuSO4和10個H2O。)
圖5:有兩單位的五水合硫酸銅((CuSO4ž5H2O)2)的結構
(b) CuSO4ž5H2O晶體加熱至102℃時,與銅離子配位且不與其他配基生成氫鍵的水分子,先脫離2個H2O而生成CuSO4ž3H2O,如圖6所示。(此圖指出脫離紅框之4個H2O,兩單位各脫離2個H2O。)
圖6:有兩單位的三水合硫酸銅((CuSO4ž3H2O)2)的結構(失去紅框的H2O)
(c) CuSO4ž3H2O 晶體加熱至113℃時,與銅離子配位且與其他配基生成氫鍵的水分子,隨之脫離2個H2O而生成CuSO4žH2O,如圖7所示。(此圖指出再脫離紅框之4個H2O,兩單位各脫離2個H2O。)
圖7:有兩單位的一水合硫酸銅((CuSO4žH2O)2)晶體的結構(失去紅框的H2O)
(d) CuSO4žH2O 晶體加熱至258℃時,與硫酸根離子生成氫鍵的水分子,隨之脫離脫離1個H2O而生成不帶有結晶水的白色硫酸銅(CuSO4),如圖8所示。(此圖指出再脫離紅框之2個H2O,兩單位各脫離1個H2O。)
圖8:有兩單位的無水合硫酸銅((CuSO4)2)的結構(失去紅框的H2O)