臺灣化學教育

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
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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CuO_m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CuO_n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）