綜合實驗——三草酸合鐵酸鉀二氧化鈦制備和表征

1、綜合性實驗綜合實驗實驗一：草酸根合鐵（）酸鉀的制備及表征1一、實驗目的1二、實驗原理1三、實驗儀器與試劑2四、實驗步驟2五、結果與數據處理51配合物中的鐵含量測定52草酸根含量的測定63. 配合物的熱重分析64配合物分子式的確定74紅外光譜解析76樣品磁化率測定8六、注意事項9七、思考題9實驗二：TiO2納米材料的制備與表征9一、實驗目的9二、實驗原理9三、實驗試劑與儀器10四、實驗內容和步驟10實驗一：草酸根合鐵（）酸鉀的制備及表征一、實驗目的1 了解配合物組成分析和性質表征的方法和手段。 2 用化學分析、熱分析、電荷測定、磁化率測定、紅外光譜等方法確定草酸根合鐵（）酸鉀組成，掌握某些性質與

2、有關結構測試的物理方法。二、實驗原理草酸根合鐵（）酸鉀最簡單的制備方法是由三氯化鐵和草酸鉀反應制得。草酸根合鐵（）酸鉀為綠色單斜晶體，水中溶解度0時為4.7g·100g-1，100時為118g·100g-1，難溶于C2H5OH。100時脫去結晶水，230時分解。要確定所得配合物的組成，必須綜合應用各種方法?；瘜W分析可以確定各組分的質量分數，從而確定化學式。配合物中的金屬離子的含量一般可通過容量滴定、比色分析或原子吸收光譜法確定，本實驗配合物中的鐵含量采用磺基水楊酸比色法測定。配體草酸根的含量分析一般采用氧化還原滴定法確定（高錳酸鉀法滴定分析）；也可用熱分析法確定。紅外光譜可

3、定性鑒定配合物中所含有的結晶水和草酸根。用熱分析法可定量測定結晶水和草酸根的含量，也可用氣相色譜法測定不同溫度時熱分解產物中逸出氣體的組分及其相對含量來確定。對于一種新的配合物的確認還需做有關結構方面的測試，對配合物磁學性質的測試就是研究物質結構的基本方法之一，常用的測試手段有核磁共振譜、順磁共振譜和磁化率的測定。草酸根合鐵（）酸鉀配合物中心離子Fe3+的d電子組態(tài)及配合物是高自旋還是低自旋，可以由磁化率測定來確定。配離子電荷的測定可進一步確定配合物組成及在溶液中的狀態(tài)三、實驗儀器與試劑1、實驗儀器722型分光光度計，磁天平，紅外光譜儀，差熱天平（熱分析儀），電導率儀，常用玻璃儀器，電磁攪拌器

4、2、實驗試劑草酸鉀（K2C2O4·H2O）（A.R.），三氯化鐵（FeCl3·6H2O）（A.R.），氯化鉀(A.R.)， Fe3+標準溶液（0.1mg·mL-1），氨水（A.R.），磺基水楊酸（25）（A.R.）四、實驗步驟1草酸根合鐵()酸鉀的制備稱取 12 g草酸鉀放入 100 mL燒杯中，加20 mL蒸餾水，加熱使草酸鉀全部溶解。在溶液近沸時邊攪動邊加入 8mL三氯化鐵溶液（0.4 g·mL-1），將此溶液在冰水中冷卻即有綠色晶體析出，用布氏漏斗過濾得粗產品。將粗產品溶解在約20mL熱水中，趁熱過濾。將濾液在冰水中冷卻，待結晶完全后過濾。晶體產物

5、用少量無水乙醇洗滌，在空氣中干燥。2化學分析（1）配合物中鐵含量的測定稱取1.964 g經重結晶后干燥的的配合物晶體，溶于80 mL水中，注入1mL體積比為11鹽酸后，在100mL容量瓶中稀釋到刻度。準確吸取上述溶液5mL于500mL容量瓶中，稀釋到刻度，此溶液為樣品溶液（溶液須保存在暗處，以避免草酸根合鐵配離子見光會分解）。用吸量管分別吸取0，2.5 mL，5.0 mL， 10.0mL，12.5mL鐵標準溶液和25mL樣品于100mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋到約50mL，加入5mL 25的磺基水楊酸，用11氨水中和到溶液呈黃色，再加入1mL氨水，然后用蒸餾水稀釋到刻度，搖勻。在分光光度計上，用

6、1cm比色皿在450nm處進行比色，測定各鐵標準溶液和樣品溶液的吸光度。亦可用還原劑把Fe3+還原為Fe2+然后用KMnO4標準溶液滴定Fe2+，計算出Fe2+含量。或可選擇其它合適的方法來測定鐵含量。（2）草酸根含量的測定把制得的草酸根合鐵()酸鉀在5060于恒溫干燥箱中干燥1h，在干燥器中冷卻至室溫，精確稱取樣品約0.10.15g（做兩組平行實驗取平均值）。，放入250mL錐形瓶中，加入25mL水和5mL 1mol·L1 H2SO4，用標準0.02000 mol·L1 KMnO4溶液滴定。滴定時先滴入8mL左右的 KMnO4標準溶液，然后加熱到343358K（不高于35

7、8K）直至紫紅色消失。再用KMnO4滴定熱溶液，直至微紅色在30s內不消失。記下消耗KMnO4標準溶液的總體積，計算草酸根合鐵()酸鉀中草酸根的質量分數。+16H+ =10CO2+2Mn2+ + 8H2O（3）熱重分析在瓷坩堝中，稱取一定量磨細的配合物樣品，按規(guī)定的操作步驟在熱天平上進行熱分解測定，升溫到550為止。記錄不同溫度時的樣品質量。熱分解產物中是否有碳酸鹽可用鹽酸來鑒定。亦可用氣相色譜測定不同溫度時熱分解產物中逸出氣的組分及其相對含量。（4）紅外光譜測定將重結晶的配合物和550的熱分解產物分別測定其紅外光譜。（5）配合物的磁化率測定某些物質本身不呈現磁性，但在外磁場作用下會誘導出磁性

8、，表現為一個微觀磁矩，其方向與外磁場方向相反。這種物質稱為反磁性物質。有的物質本身就具有磁性，表現為一個微觀的永久磁矩。由于熱運動，排列雜亂無章，其磁性在各個方向上互相抵消，但在外磁場作用下，會順著外磁場方向排列，其磁化方向與外磁場相同，產生一個附加磁場，使總的磁場得到加強。這種物質稱為順磁性物質。順磁性物質在外磁場作用下也會產生誘導磁矩，但其數值比永久磁矩小得多。離子若具有一個或更多個未成對電子，則像一個小磁體，具有永久磁矩，在外磁場作用下會產生順磁性。又因順磁效應大于反磁效應，故具有未成對電子的物質都是順磁性物質。其有效磁矩eff可近似表示為：n表示未成對電子數目。如能通過實驗求出eff，

9、推算出未成對電子數目，便可確定離子的電子排列情況。eff為微觀物理量，無法直接由實驗測得，須將它與宏觀物理量磁化率聯系起來。有效磁矩與磁化率的關系為：式中：x磁化率；M相對分子質量；T熱力學溫度，K。物質的磁化率可用古埃磁天平測量。古埃法測量磁化率的原理如下：順磁性物質會被不均勻外磁場一端所吸引，而反磁性物質會被排斥，因此，將順磁性物質或反磁性物質放在磁場中稱量，其質量會與不加磁場時不同。順磁性物質被吸引，其質量增加；反磁性物質被磁場排斥，其質量減少。求物質的磁化率較簡便的方法是以順磁性莫爾鹽(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O的磁化率為標準，控制莫爾鹽與樣品實驗條件相

10、同，此時待求物質的磁化率與莫爾鹽的磁化率的關系如下式所示：式中：ms裝入樣品管中的莫爾鹽的質量，g；m裝入樣品管中的待測樣品的質量，g；m3莫爾鹽加磁場前后質量的變化，g；m待測樣品加磁場前后質量的變化，g。代入（2）式便可求得eff。將其代入（1）式，可求出n。以硫酸亞鐵銨（俗稱摩爾鹽）為標定物，用磁天平測定草酸根合鐵（）酸鉀的磁化率。具體操作如下：莫爾鹽與待測樣品研細過篩備用。取一只干燥樣品管掛在天平掛鉤上, 調節(jié)樣品管的高度, 使樣品管的底部對準磁鐵的中心線。在不加磁場的情況下, 稱空樣品管的質量m , 取下樣品管, 將研細的莫爾鹽裝入管中, 樣品的高度約15 cm (準確到0. 5 m

11、m ) , 置于天平的掛鉤上, 在不加磁場的情況下稱得m 1, 接通電磁鐵的電源, 電流調(24) A 在該磁場強度下稱得質量m 2, 并記錄樣品周圍的溫度。在相同磁場強度下, 用草酸根合鐵（）酸鉀取代莫爾鹽重復上述步驟。根據實驗數據求出草酸根合鐵（）酸鉀的Ueff由Ueff 確定Fe3+ 的最外層電子結構。五、結果與數據處理1配合物中的鐵含量測定將光度法測定的實驗結果記錄于下表：編號V(Fe3+)/mLc(Fe3+)/(g·mL-1)吸光度A12平均100      22.52.5      35.05.0  &

12、#160;   47.57.5      51010      樣品25x      以吸光度A為縱坐標，Fe3+含量為橫坐標作圖得一直線，即為Fe3+的標準曲線。以樣品的吸光度A在標準曲線上找到相應的Fe3+含量，并計算樣品中Fe3+的百分含量。2草酸根含量的測定 根據高錳酸鉀溶液的用量計算草酸根的質量分數。編號M樣品的重量（g）V高錳酸鉀（ml）(C2O42-)%(C2O42-)%平均值1233. 配合物的熱重分析由熱重曲線計算樣品的失重率，根據失重率可計算配合物中所含的結晶水。并與各種可能

13、的熱分解反應的理論失重率相比較，參考紅外光譜圖，確定該配合物的組成?？赡艿臒岱纸夥磻?僅供參考)：(1) K3Fe(C2O4)3.3H2OK3Fe(C2O4)3+3H2O 11.00%(2) K3Fe(C2O4)3 K2C2O4+ K3Fe(C2O4)2 +CO2 10.06%或K3Fe(C2O4)3 K2C2O4+ FeC2O4+1/2K2CO3+CO2+1/2CO 11.81% (3) K2C2O4+ FeC2O4+1/2K2CO3FeCO3 +3/2K2CO3+5/2CO2 11.40%(4) FeCO3 +3/2K2CO33/2K2CO3+1/4Fe3O4+1/4Fe+CO2 8.83

14、%4配合物分子式的確定根據n(Fe3+):n(C2O42-)=(Fe3+)/55.8:(C2O42-)/88.0可確定Fe3+與C2O42-的配位比。由熱重分析所得到水的質量分數。根據電荷平衡可確定鉀離子的含量?；蛘哂膳浜衔餃p去結晶水、C2O42-、Fe3+的含量后即為K+的含量。根據配合物各組分的含量，推算確定其化學式。4紅外光譜解析由樣品所測得的紅外光譜圖，根據基團的特征頻率可說明樣品中所含的基團，并與標準紅外光譜圖對照可以初步確定是何種配體和是否存在結晶水。由熱分解產物的紅外光譜圖可以確定其中含有何種產物。6樣品磁化率測定管重（g）管+樣品（g）放入磁場重（g）質量變化m（g）質量磁化率

15、（x）µeff（B.M）未成對電子數n摩爾鹽草酸根合鐵酸鉀根據測定的磁化率計算配合物中心離子的未成對電子數，畫出電子的排布，并說明草酸根是屬于強場配體還是弱場配體。綜合上述實驗結果確定試樣的正確分子式及中心離子的電子組態(tài)。六、注意事項所合成的鉀鹽是一種亮綠色晶體, 易溶于水難溶于丙酮等有機溶劑, 它是光敏物質, 見光分解。2 K3Fe(C2O4)3 3 K2C2O4 + 2FeC2O4+2CO2七、思考題1、確定配合物中的草酸根含量還可以采取什么方法？如何實現？2、結晶水的含量還可以采用什么方法測定？3. 如何正確確定草酸根合鐵酸鉀的熱分解產物?實驗二：TiO2納米材料的制備與表征一

16、、實驗目的1了解TiO2納米材料制備的方法2掌握用溶膠-凝膠法制備TiO2納米材料的原理和過程3掌握納米材料的標準手段和分析方法二、實驗原理膠體是一種分散相粒徑很小的分散體系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之間的相互作用主要是短程作用力。溶膠（Sol）是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大小在1100nm之間。凝膠（Gel）是具有固體特征的膠體體系，被分散的物質形成連續(xù)的網狀骨架，骨架空隙中充有液體或氣體，凝膠中分散相的含量很低，一般在13之間。凝膠與溶膠的最大不同在于：溶膠具有良好的流動性，其中的膠體質點是獨立的運動單位，可以自由行動；凝膠的膠體質點相互聯結，在整

17、個體系內形成網絡結構，液體包在其中，凝膠流動性較差。溶膠-凝膠法（sol-gel）是化學合成方法之一，是20世紀60年代中期發(fā)展起來的制備玻璃、陶瓷和許多固體材料的一種工藝。即將金屬醇鹽或無機鹽經水解直接形成溶膠或經解凝形成溶膠，然后使溶質聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒去除有機成分，最后得到無機材料。主要用來制備薄膜和粉體材料。圖1 Sol-Gel法工藝流程圖溶膠-凝膠法制備TiO2通常以鈦醇鹽Ti(OR)4 為原料，合成工藝為：鈦醇鹽溶于溶劑中形成均相溶液，逐滴加入水后，鈦醇鹽發(fā)生水解反應，同時發(fā)生失水和失醇縮聚反應，生成1 nm 左右粒子并形成溶膠，經陳化，溶膠形成三維網絡而成凝膠，凝膠在

18、恒溫箱中加熱以去除殘余水份和有機溶劑，得到干凝膠，經研磨后煅燒，除去吸附的羥基和烷基團以及物理吸附的有機溶劑和水，得到納米TiO2 粉體。本實驗采用鈦酸正丁酯作為合成納米二氧化鈦的原料,由于鈦酸正丁酯水解速率相當快,因此控制其水解成為鈦酸酯溶膠凝膠過程中一個至關重要的環(huán)節(jié)。通常需要對鈦酸酯進行化學修飾,引入對水解相對穩(wěn)定的功能性基團,有效控制金屬烷氧化合物的水解，本實驗中采用乙酰丙酮。三、實驗試劑與儀器1、實驗儀器常用常壓化學合成儀器一套，電磁攪拌器，烘箱，馬弗爐，粒度分布測定儀，比表面儀，差熱-熱重分析儀 2、實驗試劑鈦酸正丁酯，無水乙醇，乙酰丙酮，強酸四、實驗內容和步驟溶膠-凝膠法以鈦醇鹽Ti(OR)4 為原料，合成工藝為： （1）水浴加熱集熱式恒溫磁力攪拌器至65左右，安裝三頸燒瓶裝置、溫度計和滴液漏斗，量取60ml的無水乙醇置于三頸燒瓶中。（2）將30ml的鈦酸四丁酯（Ti(OC4H9)4）裝入滴液漏斗，自滴