硫酸銅晶體的結構探討/施建輝

星期六 , 16, 八月 2014 Leave a comment

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
schemistry0120@gmail.com

 

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:

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/molO = 16.0 g/molCu = 64.5 g/molS = 32.1 g/mol

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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  mgCuSO4ž5H2O晶體加熱至102失去部分結晶水,設剩下X個結晶水:

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(2)   85.6  mgCuSO4ž3H2O晶體加熱至113繼續失去部分結晶水,設剩下Y個結晶水:

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(3)   71.2 mgCuSO4žH2O晶體加熱至258繼續失去部分結晶水,設剩下Z個結晶水:

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(4)   64.0  mgCuSO4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CuOmSO(4-m)

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(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CuOnO(1-m)之和:

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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234所示:

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2:五水合硫酸銅晶體的結構圖之一  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.

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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)   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)   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H2O1SO421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2CuSO410H2O。)

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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2H2O而生成CuSO4ž3H2O,如圖6所示。(此圖指出脫離紅框之4H2O,兩單位各脫離2H2O。)

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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2H2O而生成CuSO4žH2O,如圖7所示。(此圖指出再脫離紅框之4H2O,兩單位各脫離2H2O。)

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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1H2O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2H2O,兩單位各脫離1H2O。)

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8:有兩單位的無水合硫酸銅((CuSO4)2)的結構(失去紅框的H2O

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