铎1，王
2，**鑫1，，周文淑1，董会杰1，沈如梦1，宋阳阳1，黄娜1，王水婷1，，毛海荣1（1.郑州师范学院化学化工学院，河南郑州450044；2.郑州大学化学与分子工程学院，河南郑州450001）
摘要：我们研究并确定了使用回收铜片制备CuCl实验的现象及反应的最佳条件。实验结果表明：使用回收铜片进行CuCl的生成和性质实验，能够观察到与铜粉作为反应物相一致的实验现象，且使用铜片更加经济。此外我们对产品进行了X-射线粉末衍射表征，结果表明产品具有很好的纯度。
关键词：氯化亚铜；制备；实验改进；粉末衍射中图分类号：G642.0
文献标志码：A
文章编号：1674-9324（2019）39-0275-04
过渡金属的性质实验有丰富的现象，在无机化学
元素部分实验教学中占有重要的位置[1-7]。确定实验中的现象变化对于实验教学至关重要。实验现象的变化不仅对学生具有引领、启发和示范的作用，而且对学生各个方面能力也有很大提高。
铜作为一种典型的过渡金属，其化合物的性质及制备实验中呈现出多种多样的现象。按照高等教育出版社出版的《无机化学实验（第四版）》179页（氯化亚铜的生成和性质实验）的要求，使用铜粉作为铜源，最终
[6-8]能够“直至溶液近无色”，在实验实施过程中，我们使用了更加易得的铜片作为铜源，按照教材条件并未观察到教材所描述的现象。而是与高等教育出版社出版的《无机化学实验（第三版）》中对于该实验的描述“加热沸腾至其中液体呈深棕色（绿色完全消失）”相符。那么使用铜片做铜源是否能够符合教材所描述的“溶液近无色”的现象？铜片是否可以代替铜粉作为铜源？
一、实验部分
1.实验原理。单质铜和二价铜离子在热的浓HCl中制备CuCl时，发生下列反应：Cu（铜片）+CuCl2+2HCl（浓）=2H[CuCl2（]二氯合铜酸），二氯合铜酸用水稀释溶液时即得到白色的CuCl沉淀：H[CuCl2]=加水稀释加热（[Cu（H2O），当加入浓HCl后，发生转化：[Cu（H2O）6]）6]+4Cl-=CuCl4+6H2O，即该溶液为CuCl4和[Cu（H2O）6]
2-2-2+2+2+的混合色（黄绿色），当加入过量的金属铜后，铜还原
二价铜离子生成一价铜离子，加热的过程中会形成一系列的中间产物二价铜离子和一价铜离子混合价态的二聚或多聚络合离子（深棕色），随着反应的进行，一价铜离子逐渐增多，形成[CuCl2]也就增多，溶液的颜色将变为近于无色或者是无色[11-12]，这表明二价铜离子几乎全部转化为一价铜离子，形成H[CuCl2]。二、结果与讨论
1.对产物的表征。对反应所得产物，我们进行了形貌观察及表征。其中反应使用的铜片及反应后剩余铜片我们使用光学显微镜进行了表面观察，对制备实验得到的产物进行了X-射线粉末衍射表征。（1）对铜片的形貌观察。对反应前铜片（新鲜铜片）、参与一次反应后的铜片（一次铜片）、参与两次反应后的铜片（二次铜片），我们使用光学显微镜进行了观察，结果如图1所示。在图中我们可以看到，未反应铜片呈现出光洁表面，如图1（a）所示。一次铜片及二次铜片如图1（b）、（c）所示。与未反应的新鲜铜片相比，一次铜片表面出现了细小孔洞，应为铜片与HCl发生氧化还原反应的位点。而二次铜片表面呈现出比一次铜片表面更加严重的腐蚀状态，与一次铜片相比，二次铜片表面出现了更多孔洞及大面积凹陷，具有比一次铜片更大的比表面积。（2）产物的粉末衍射表征。我们对制备得到的
-HCl+CuCl↓，反应过程中会伴随着副反应的发生：一
方面Cu+在水中很快水解，生成黄色的氢氧化亚铜沉淀和氯化氢，另一方面Cu+被直接氧化成CuCl2[9-10]。
2.实验现象分析。由上述实验原理我们预测反应现象如下：CuCl2溶液中未加入浓HCl时，溶液的颜色为蓝色
收稿日期：2018-11-14
基金项目：郑州师范学院环境催化科研创新团队（编号：702010）；郑州师范学院大学生创新型实验项目（编号：DCZ2016010）；郑州师范学院教学改革研究项目（编号：2018-ZSJGYB-18）；郑州师范学院优秀基层教学组织（无机化学课程组）资助
通讯作者：王鑫（1984-），男（汉族），河南郑州人，博士，讲师，研究方向：无机化学课程改革；王水婷（1963-），女（汉族），河南温县人，副教授，研究方向：无机化学课程改革。
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2019年9月第39期教育教学论坛EDUCATIONTEACHINGFORUMSept.2019NO.39CuC使用日本理学Ultima-4型X-射线粉末衍射仪进行表征。实验所得样品和CuCl标准样品的粉末衍射图如图2所示，扫描范围为10°—80°。结果表明，实验制备所得样品与标准谱图（ICSDCollectionCode：73255）
出峰位置对应，且没有杂峰，表明我们制备得到CuCl样品具有很高的纯度。
图1铜片表面状态，其中（a）为新鲜铜片，（b）为一次铜片，（c）为二次铜片
图2样品的XRD图，其中红色线为CuCl标准品的衍射谱图，黑色线为实验测定样品谱图
2.最佳反应条件的确定。按照教材，实验步骤如下：用5mL量筒各量取3mL1.0mol·L的CuCl2溶液和6mol·LHCl溶液，依次加入试管中，继续向试管中加
入1gNaCl，混合均匀后加入铜片，然后用酒精灯加热至沸腾并保持至溶液变澄清，迅速将此溶液倒入盛有100mL水的烧杯中，即得到白色沉淀[13]。静置约1h左右，取沉淀于离心管中，在7000rad·min，离心5min，沉淀用冰醋酸洗涤、过滤，用无水乙醇淋洗，80°C烘干，称重[14-15]。（1）铜片最佳用量的确定。根据上述的实验步骤分别加入0.1g（1#）、0.3g（2#）、0.5g（3#）、0.7g（4#）和0.9g（5#）的铜片。实验产品质量统计见图4。从图3中的数据可以看出，在重复实验中即使加入同样量的铜片，产量依然会有差别，但总体看来差别不大。导致产量差别的可能原因：实验室的温度、加热时间和铜片的表面积等存在着差异。在实验反应中，实验室室温会影响CuCl的产率，制得的亚铜溶液倒入蒸馏水中，亚铜离子一方面沉淀生成CuCl，另一方面被氧化生成铜离子转化为CuCl2。经实验观察实验室温度较高时，产率会略高。另外，为了消除偶然因素对于产量的影响，我们进行了多组重复实验，求得了该实验条件下CuCl的平均产量。如图3所示，取铜片加入量为0.5g时，CuCl的产量最高。此外，结合图3中的反应现象我们发
-1-1-1现，铜片的用量大于0.5g时，溶液都近无色，从反应的
经济性考虑，铜片最佳用量为0.5g。（2）最佳反应时间的确定。根据教材实验步骤，保持其他条件一致，沸腾时间分别为1min（1#）、2min（2#）、3min（3#）、4min（4#）、5min（5#）、6min（6#），CuCl产量统计如图4。由图4可知随着沸腾时间的延长，产量迅速提高。当沸腾超过4min时产量增幅明显降低，沸腾5min后，产量趋近于恒定。由图3可知，沸腾时间越长，剩余溶液越少，如果沸腾时间超过6min，绝大部分溶液将被蒸发，Cu+的氧化占主导，会降低CuCl产量。因此，最佳反应时间确定为6min。
图3平均产量与铜片用量关系图
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2019年9月第39期教育教学论坛EDUCATIONTEACHINGFORUMSept.2019NO.39图4实验沸腾时间与平均产量关系图
3.使用回收铜片合成CuCl的效率计算。（1）铜粉/铜片购置成本比较。我们选取常用试剂购置平台，查询铜粉及铜片价格，如表1所示。从查询结果可以发现，铜粉与铜片两者差价最大的为上海阿拉丁生化科技股份有限公司，达164元/500g。差价最小的为国药集团化学试剂有限公司，为48元/500g。各主要药品供应商所报价格都呈现了铜粉低于铜片的结果。（2）实验效率分析。从铜片和铜粉的购置成本看，铜粉的成本要低于铜片的成本，是否使用铜粉来制备CuCl的成本
就低于铜片呢？我们对不同形态的铜单质（铜粉、新鲜
铜片、一次铜片）做反应物制备CuCl进行了大量平行试验，最终统计结果如图5所示。我们发现使用相同质量的铜单质，一次铜片的制备效率比新鲜铜片高。原因可能是一次铜片表面形成的孔洞增大了铜片与HCl的接触面积，使反应速率更快，最终使产量更高。此外，如图5所示，一次铜片和铜粉制备CuCl的效率几乎相同，都为0.3g（CuCl）/0.5g（Cu）。因此，可以使用一次铜片替代铜粉进行制备。并且，不同于铜粉，一次铜片可以回收，进一步降低了反应成本。由于反应都要加入过量的铜，反应后需将溶液与过量铜进行分离。铜粉会附着在滤纸上很难回收，铜片则没有这个问题。因此，使用铜粉每次消耗量为0.50g，而由于铜片易于回收，经过统计，每次铜片消耗为0.22g。若换算成价格，以麦克林价格为参考，使用铜粉每次消耗0.12元，而使用一次铜片，每次消耗0.12元，两者相当，并且，一次铜片使用后也可回收，能够进一步降低反应成本。若以国药价格为参考，使用铜粉每次消耗0.11元，而使用一次铜片，每次消耗仅为0.07元，见表2。可见，使用一次铜片制备CuCl能够有效降低实验成本。
表1铜粉及铜片市售价格对比
图5不同铜源产量对比图表2铜粉及铜片反应消耗对比
三、总结
我们通过改变实验中的条件，如反应物用量、反应的时间等，找到了使用铜片制备CuCl样品的最优条件。
结果表明：使用铜片进行CuCl的制备实验，能够
观察到与教材描述相一致的实验现象。最佳的反应条件如下：取1.0mol·LCuCl2溶液和6mol·LHCl各3mL
于试管中，加入氯化钠固体1g，混合均匀后再加入0.5g铜片，用酒精灯加热沸腾后，保持继续沸腾6min，溶液变为无色。
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2019年9月第39期教育教学论坛EDUCATIONTEACHINGFORUMSept.2019NO.39与教材相比，我们在制备CuCl实验中Cu单质没有使用铜粉，使用的是铜片。与前者相比，铜片具有更好的经济性。也就是说，CuCl制备实验，我们找到了一种更经济的反应方法。
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DiscussiononExperimentalPhenomenaandImprovementofCuClPreparation
LIUDuo1,WANGXin1,2,*,ZHOUWen-shu1,DONGHui-jie1,SHENRu-meng1,SONGYang-yang1,
*HUANGNa1,WANGShui-ting1，,MAOHai-rong1(1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,ZhengzhouNormalUniversity,Zhengzhou,Henan450044,
China;
2.CollegeofChemistryandMolecularEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,Henan450001,China)
Abstract:ThephenomenaandoptimalreactionconditionsofCuClpreparationhavebeendeterminedinourlaboratory.ExperimentalresultsshowedthatthephenomenawereidenticalwithCupowderasreactant.ThesamplepreparedweredeterminedbypowderX-raydiffraction(PXRD)toconfirmitspurity.
Keywords:CuprousChloride;preparation;improvementofexperiment;PowderX-raydiffraction
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