明礬的制備及其定性檢測(cè)

1、明礬的制備及其定性檢測(cè)前言（一）明礬的性狀明礬（水合硫酸鋁鉀，KAl(SO4)2·12H2O或K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O，英文名Aluminium potassium sulfate dodecahydrate），又稱白礬、鉀礬、鉀鋁礬、鉀明礬，是含有結(jié)晶水的硫酸鉀和硫酸鋁的復(fù)鹽，屬于型明礬類復(fù)鹽。無色立方晶體，外表常呈八面體，或與立方體、菱形十二面體形成聚形，有時(shí)以111面附于容器壁上而形似六方板狀，有玻璃光澤；密度1.757g/cm3，熔點(diǎn)92.5；64.5時(shí)失去9個(gè)分子結(jié)晶水，200時(shí)失去12個(gè)分子結(jié)晶水，溶于水，不溶于乙醇。（二）明礬的用途

2、1明礬作為凈水劑明礬在水中可以電離出兩種金屬離子：KAl(SO4)2 K+ + Al3+ + 2SO42-而Al3+很容易水解，生成膠狀的氫氧化鋁：Al3+ + 3H2O Al(OH)3 + 3H+ （可逆）氫氧化鋁膠體顆粒有較大的表面積和很強(qiáng)的吸附能力，可以吸附水中懸浮的雜質(zhì)，并形成沉淀，使水澄清。2明礬作為滅火劑泡沫滅火器內(nèi)盛有約1mol·L-1的明礬溶液和約1mol·L-1的NaHCO3（小蘇打）溶液（還有起泡劑），兩種溶液的體積比約為11:2。明礬過量是為了使滅火器內(nèi)的小蘇打充分反應(yīng)，釋放出足量的二氧化碳，以達(dá)到滅火的目的。2KAl(SO4)2·12H2O

3、 + 6NaHCO3 K2SO4 + 3Na2SO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 24H2O3明礬作為膨化劑炸油條（餅）或膨化食品時(shí)，若在面粉里加入小蘇打后，再加入明礬，則會(huì)使等量的小蘇打釋放出比單放小蘇打多一倍的二氧化碳，這樣就可以使油條（餅）在熱油鍋中一下子膨脹起來。2KAl(SO4)2·12H2O + 6NaHCO3 K2SO4 + 3Na2SO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 24H2O2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O4明礬作為藥物 明礬性寒味酸澀，具有較強(qiáng)的收斂作用。中醫(yī)認(rèn)為，明礬具有解毒殺蟲，爆濕止癢，止血止瀉，清熱消痰的功效，也

4、用來治療高脂血癥、十二指腸潰瘍、肺結(jié)核咳血等疾病。近年來的研究證實(shí)，明礬還具有抗菌，抗陰道滴蟲等作用。5其他作用明礬還可用于制備鋁鹽、油漆、鞣料、媒染劑、造紙、防水劑等。（三）明礬的危害近年來發(fā)現(xiàn)，鋁對(duì)人體有害。由于明礬的化學(xué)成份為硫酸鋁鉀，含有鋁離子，所以過量攝入會(huì)影響人體對(duì)鐵、鈣等成份的吸收，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松、貧血，甚至影響神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育。當(dāng)明礬作為食品添加劑，被人食用后，基本不能排出體外，它將永遠(yuǎn)沉積在人體內(nèi)。其毒副作用主要表現(xiàn)為：明礬可以殺死腦細(xì)胞，使人提前出現(xiàn)腦萎縮、癡呆等癥狀，影響人們的智力，對(duì)生命影響不大。因此，一些營養(yǎng)專家提出，要盡量少吃含有明礬的食品。而且長期飲用明礬凈化的水，可

5、能會(huì)引起老年性癡呆癥。因此現(xiàn)在已不主張用明礬作凈水劑了。2003年世界衛(wèi)生組織曾將明礬列為有害食品添加劑。雖然我國早在30多年前就曾禁止過鋁制餐具的使用及明礬作為食品添加劑，但最近幾年，人們?cè)谶@方面的意識(shí)越來越淡薄，導(dǎo)致明礬的使用率有所上升。 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)采用回收飲料鋁罐制備明礬。（一）明礬的合成走在街上到處可發(fā)現(xiàn)被拋棄的飲料罐，其中鋁罐是不易被分解廢棄物之一，平均壽命約達(dá)一百年。鋁雖是地殼中含量第三的元素，但并不表示是用之不盡的，必須找出一可行方法來回收。一般回收的鋁罐多是經(jīng)加熱熔融后再制成其它鋁制品重復(fù)利用。在本實(shí)驗(yàn)中，則是將廢棄的易拉罐經(jīng)一系列的化學(xué)反應(yīng)制成具凈水功能的明礬，藉以了解鋁

6、的化學(xué)性質(zhì)。鋁是活潑的金屬，其表面空氣中的氧反應(yīng)生成致密的氧化五保護(hù)膜，因此在空氣中穩(wěn)定。與稀酸反應(yīng)很慢，堿性溶液可溶解此氧化層，進(jìn)一步再與鋁反應(yīng)形成 Al(OH)4- 而溶解于堿液中：2Al(s) + 2KOH(aq) + 6H2O(l) 2K+(aq) + 2Al(OH)4-(aq) + 3H2(g) (1)在上述（1）溶液中加入酸時(shí)，首先產(chǎn)生白色柔毛狀 Al(OH)3 沉淀：Al(OH)4-(aq) + H+(aq) Al(OH)3(s) + H2O(l) (2)繼續(xù)加酸，則 Al(OH)3(s) 變成 Al3+ 溶解于酸中：Al(OH)3(s) + 3H+(aq) Al3+(aq) +

7、 3H2O(l) (3)加熱濃縮含SO42-、Al3+ 和 K+ 的溶液，KAl(SO4)2·12H2O即可從過飽和溶液中結(jié)晶出來，在適當(dāng)條件下并可長成相當(dāng)大的晶體。不同溫度下明礬、硫酸鋁、硫酸鉀的溶解度（/100gH2O）如下表所示： 溫度 T/K273283293303313333353363KAl(SO4)2·12H2O/ g3.003.995.908.3911.724.871.0109Al2(SO4)3 /g31.233.536.440.445.859.273.080.8K2SO4/g7.49.311.113.014.818.221.422.9（二）重結(jié)晶分離純化及

8、養(yǎng)晶技術(shù)1重結(jié)晶分離純化物質(zhì)在溶液中的含量若比溶解度大即形成過飽和溶液時(shí)，溶液中會(huì)沉淀析出固體。由于不同物質(zhì)在相同條件下的溶解度不同，所以可利用此特性將物質(zhì)分離、純化，稱為重結(jié)晶法。最常用的結(jié)晶分離技術(shù)有兩種，其一是改變溫度或蒸發(fā)溶劑降低溶質(zhì)溶解度，使溶液成為過飽和而溶質(zhì)晶析出來；其二是在溶液中加入另一種溶質(zhì)不溶的溶劑，降低溶質(zhì)在混合溶劑中的溶解度而晶析出來。因?yàn)槊鞯\的溶解度受溫度的影響很大，所以本實(shí)驗(yàn)主要采用的是降溫法，利用明礬在熱水中的溶解度較冷水中大的特性使用熱水為溶劑重結(jié)晶得到明礬晶體，即是冷卻熱飽和溶液的方法。2單晶的培養(yǎng)晶體有一定的幾何外形，有固定的熔點(diǎn)，有各向異性等特點(diǎn)。晶體生成

9、的一般過程是先生成晶核，而后再逐漸長大。一般認(rèn)為晶體從液相或氣相中的生長有三個(gè)階段： 介質(zhì)達(dá)到過飽和、過冷卻階段； 成核階段； 生長階段。晶體在生長的過程中要受外界條件的影響，如渦流，溫度，雜質(zhì)，粘度，結(jié)晶速度等因素的影響。晶體生長的方法有多種，對(duì)于溶液而言，只需蒸發(fā)掉水分就可以；對(duì)于氣體而言，需要降低溫度，直到它的凝固點(diǎn)；對(duì)于液體，也是采取降溫方式來變成固體。3溶液中晶體的結(jié)晶方式當(dāng)溶液達(dá)到過飽和時(shí)會(huì)析出晶體，結(jié)晶方式有： 降低溫度。大多數(shù)溶質(zhì)的溶解度隨溫度的降低而減小，使溶液達(dá)到過飽和而使溶質(zhì)析出，如巖漿期后的熱液越遠(yuǎn)離巖漿源，則溫度漸次降低，各種礦物晶體陸續(xù)析出。 水分（溶劑）蒸發(fā)，如天

10、然鹽湖鹵水蒸發(fā)制取粗鹽就是這種方式，通過蒸發(fā)減少溶劑的量，使溶液達(dá)到過飽和而析出晶體。 通過化學(xué)反應(yīng)，生成難溶物質(zhì)（晶體）。需要說明的是，這種結(jié)晶方式對(duì)于制備單晶的大晶體而言一般不適合，因?yàn)槿芤褐谢瘜W(xué)反應(yīng)進(jìn)行較快，生成很小的晶體，難以長成大晶體。4影響晶體生長的因素決定晶體生長形態(tài)的因素有內(nèi)因和外因。影響晶體生長速度的內(nèi)在因素主要有溶液的過飽和度、pH 值、環(huán)境相成分、溶劑和雜質(zhì)等。同一種晶體在不同的條件生長時(shí)，晶體形態(tài)是可能有所差別的。影響晶體生長的外部因素主要有渦流、溫度、雜質(zhì)、粘度、結(jié)晶速度。同一種晶體在相同的生長系統(tǒng)中，外界因素（如壓強(qiáng)、濃度、溫度等）的變化，也會(huì)影響晶體生長的速度和晶

11、體形狀。影響晶體生長的外部因素還有很多，如晶體析出的先后次序也影響晶體形態(tài)，先析出者有較多自由空間，晶形完整，成自形晶；較后生長的則形成半自形晶或他形晶。同一種礦物的天然晶體于不同的地質(zhì)條件下形成時(shí)，在形態(tài)上、物理性質(zhì)上部可能顯示不同的特征，這些特征標(biāo)志著晶體的生長環(huán)境，稱為標(biāo)型特征。5晶體的溶解和再生（1）晶體的溶解把晶體置于不飽和溶液中晶體就開始溶解。由于角頂和棱與溶劑接觸的機(jī)會(huì)多，所以這些地方溶解較其它部位快，因而晶體可溶成近似球狀，如明礬的八面體溶解后變成近似于球形的八面體。（2）晶體的再生破壞了的或溶解了的晶體處于適宜的環(huán)境中又可恢復(fù)多面體形態(tài)，稱為晶體的再生。溶解和再生不是簡單的可

12、逆過程。晶體溶解時(shí)，溶解速度是隨方向逐漸變化的，因而晶體溶解可形成近于球形；晶體再生時(shí)，生長速度隨方向的改變而突變，因而晶體又可以恢復(fù)成幾何多面體形態(tài)。綜上所述，依據(jù)晶體生長的熱力學(xué)相圖及生長動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，在明礬溶液中制備沉底晶體要探索適宜的條件。通過加熱將明礬溶解在一定量的蒸餾水中，制成飽和溶液，隨著溫度的降低和溶劑的蒸發(fā)使溶液達(dá)到過飽和，析出明礬晶體并繼續(xù)生長。實(shí)驗(yàn)用品儀器：100cm3 燒杯，玻璃漏斗，漏斗架，布氏漏斗，抽濾瓶，蒸發(fā)皿，表面皿，玻璃棒，試管，臺(tái)秤，電加熱套，溫度計(jì)，磁力攪拌器。 試劑： KOH （2molL-1），NH3·H2O （6molL-1），H2SO4（

13、1:1），HAc （6molL-1），BaCl2 （1molL-1），Na3Co(NO2)6，鋁試劑材料：廢鋁（可用鋁質(zhì)牙膏殼、鋁合金罐頭盒、易拉罐、鋁導(dǎo)線等），pH 試紙，滌綸線。 實(shí)驗(yàn)步驟（一）KAl(SO4)2·12H2O 的制備1剪下約 4 × 4 cm的鋁片一塊，以砂紙將內(nèi)外表面均磨光并剪成小片。 注：廢鋁原材料必須清洗干凈表面雜質(zhì)；裁剪鋁片應(yīng)小心，避免割傷。2稱取約 1 g鋁片，記錄精確重量。3制備NaAl(OH)4將鋁片置于 100 mL燒杯中，加入 30 mL 的2 molL-1 KOH(aq)。在通風(fēng)柜中使用水浴微微加熱，以加速反應(yīng)。反應(yīng)完畢后，趁熱減壓過

14、濾。注： 由于鋁片和 KOH 反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫氣（氫氣與空氣混合后易爆）并伴隨有惡臭，因此務(wù)必在通風(fēng)柜中進(jìn)行，且切忌與火源接近。 反應(yīng)過程中，觀察鋁片在水中有周期升降（上下浮沉）的現(xiàn)象，試解釋其可能原因。當(dāng)氫氣不再冒出即表示反應(yīng)完全。4氫氧化鋁的生成和溶解 將抽濾瓶中的澄清濾液倒入 100 mL 燒杯中，邊加熱邊慢慢滴加9 molL-1 H2SO4溶液（1:1 H2SO4）至沉淀全部溶解。注意：滴加硫酸溶液，會(huì)產(chǎn)生白色沉淀，繼續(xù)加熱和滴加硫酸溶液，白色沉淀先增加，然后逐漸減少至全部溶解，溶液無色透明。為什么？5將步驟 4 之澄清溶液（此時(shí)溶液中含有Al3+、K+、SO42-、H2O）蒸發(fā)濃縮至體積

15、約為30 mL，再自然冷卻至室溫，若無結(jié)晶生成，可用玻棒輕刮器壁，誘導(dǎo)結(jié)晶產(chǎn)生；再以冰水浴冷卻，以降低溫度使明礬結(jié)晶完全。6減壓過濾收集明礬結(jié)晶，10mL 1:1的水-酒精混合溶液洗滌晶體兩次，抽干，然后用濾紙吸干晶體，稱重，計(jì)算產(chǎn)率。（二）明礬產(chǎn)品的定性檢測(cè) 鑒定產(chǎn)品為硫酸鹽、鋁鹽及鉀鹽。 取少量產(chǎn)品溶于水，加入 HAc 溶液（6molL-1）呈微酸性（pH=67），分成三份。（1）加入幾滴 Na3Co(NO2)6溶液，若試管中有黃色沉淀，表示有K + 存在；（2）加入幾滴鋁試劑，搖蕩后，放置片刻，再加 NH3·H2O（6molL-1） 堿化，置于水浴上加熱，如沉淀為紅色，表示有

16、Al3+ 存在。 （3）加BaCl2 1滴，6molL-1 HCl 2滴；攪拌，有白色晶形沉淀生成，表示有SO42- 存在。（三）明礬的凈水將一定量的明礬投入到略有混濁的水中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并思考明礬凈水的原理。（四）明礬單晶的培養(yǎng)（本實(shí)驗(yàn)可課下操作） 圖1是溶液的溶解度曲線。要使晶體從溶液中析出，從原理上來說有兩種方法。以圖1的溶解度曲線的過溶解度曲線為例，為溶解度曲線，在曲線的下方為不飽和區(qū)域。若從處于不飽和區(qū)域的 A 點(diǎn)狀態(tài)的溶液出發(fā)，要使晶體析出，其中一種方法是采用 的過程，即保持濃度一定，降低溫度的冷卻法；另一種辦法是采用 的過程，即保持溫度一定，增加濃度的蒸發(fā)法。用這樣的方法使溶液

17、的狀態(tài)進(jìn)入到 線上方區(qū)域。一進(jìn)到這個(gè)區(qū)域一般就有晶核產(chǎn)生和成長。但有些物質(zhì)，在一定條件下，雖處于這個(gè)區(qū)域，溶液中并不析出晶體，成為過飽和溶液。可是過飽和度是有界限的，一旦達(dá)到某種界限時(shí)，稍加震動(dòng)就會(huì)有新的，較多的晶體析出（在圖中， 表示過飽和的界限，此曲線稱為過溶解度曲線）。在 和 之間的區(qū)域?yàn)闇?zhǔn)穩(wěn)定區(qū)域。要使晶體能較大地成長起來，就應(yīng)當(dāng)使溶液處于準(zhǔn)穩(wěn)定區(qū)域，讓它慢慢地成長，而不使細(xì)小的晶體析出。 KAl(SO4)2·12H2O 為正八面體晶形。為獲得棱角完整、透明的單晶，應(yīng)讓籽晶（晶種）有足夠的時(shí)間長大，而晶籽能夠成長的前提是溶液的濃度處于適當(dāng)過飽和的準(zhǔn)穩(wěn)定區(qū)。本實(shí)驗(yàn)通過將室溫下的飽和溶液在室溫下靜置，靠溶劑的自然揮發(fā)來創(chuàng)造溶液的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，人工投放晶種讓之逐漸長成單晶。 1籽晶的生長和選擇 根據(jù) KAl(SO4)2·12H2O 的溶解度，稱取 10g 明礬，加入適量的水，微熱至固體全部溶解，然后自然冷卻至室溫。然后放在不易振動(dòng)的地方，燒杯口上架一玻棒，在燒杯口上蓋一塊濾紙，以免灰塵落下。放置1天，杯底會(huì)有小晶體析出，從中挑選出晶型完善的籽晶待用，同時(shí)過濾溶液，留待后