□顧運(yùn)瓊，胡飛龍，黃志偉，何 軍，譚明雄*

（玉林師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，廣西 玉林 537000）

現(xiàn)代儀器分析法對(duì)大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很好的輔助作用.本文使用X射線衍射和熱重法等法能更直觀、準(zhǔn)確地說(shuō)明五水硫酸銅的晶體結(jié)構(gòu)和失水過(guò)程.硫酸銅是一種重要的銅鹽，在理科類和工科類化學(xué)專業(yè)的無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)或普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材中均有關(guān)于五水硫酸銅的制備或提純實(shí)驗(yàn)，有不少學(xué)校還增加了五水硫酸銅的失水過(guò)程實(shí)驗(yàn)，以了解結(jié)晶水合物中結(jié)晶水的脫水過(guò)程[1,2].通常的方法是把一定量的結(jié)晶水化合物置于已灼燒至恒重的坩堝中，加熱至較高溫度脫水，冷卻至室溫，由結(jié)晶水合物經(jīng)高溫加熱后的失重值，確定結(jié)晶水合物中所含的結(jié)晶水[3,4].但是五水硫酸銅的失水過(guò)程是固態(tài)反應(yīng)的一種，它要比均相反應(yīng)復(fù)雜得多，由于壓力不同、粒度不同、升溫速率不同，有時(shí)可以得到不同的脫水溫度及脫水過(guò)程，因此傳統(tǒng)五水硫酸銅失水過(guò)程只可能是某一特定條件下的宏觀反映并不能表示五水硫酸銅失水的實(shí)際過(guò)程，利用熱重法可以很好地檢測(cè)物質(zhì)溫度-質(zhì)量變化關(guān)系[5].現(xiàn)代儀器分析儀X射線衍射法在測(cè)定無(wú)機(jī)分子、有機(jī)分子、生物大分子的空間結(jié)構(gòu)時(shí)，能提供完整而準(zhǔn)確的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息[6,7]，應(yīng)用X射線衍射法研究五水硫酸銅的晶體結(jié)構(gòu)，分析五個(gè)結(jié)晶水的結(jié)合方式，讓學(xué)生形象地“看見(jiàn)”無(wú)水硫酸銅的原子和分子；應(yīng)用熱重分析法不僅較好地闡明了五個(gè)結(jié)晶水失水的三個(gè)步驟和熱量損失過(guò)程，還能結(jié)合無(wú)水硫酸銅的晶體結(jié)構(gòu)分析五個(gè)結(jié)晶水的結(jié)合環(huán)境和穩(wěn)定性.

1 X射線衍射法分析五水硫酸銅的晶體結(jié)構(gòu)

通過(guò)X衍射分析實(shí)驗(yàn)表明，在CuSO4·5H2O的晶體結(jié)構(gòu)中（圖1），每個(gè)Cu2+有五個(gè)水分子結(jié)合，其中有四個(gè)水分子為配位水分子，即O5、O6、O5i、O6i中的水分子，它們以平面四邊形配位在Cu2+周圍，第五個(gè)水分子(即O9中的水分子)以氫鍵與2個(gè)配位水分子和硫酸根結(jié)合，2個(gè)SO42-離子在平面四邊形的上和下，形成一個(gè)不規(guī)則的八面體，如圖1中的陰影部分.

2 熱重分析(TG)法研究五水硫酸銅的失水過(guò)程

選用一定質(zhì)量的待測(cè)硫酸銅晶體放在試樣皿上，使用熱重分析儀在程序控制溫度下研究樣品質(zhì)量與溫度變化情況.通過(guò)熱重分析實(shí)驗(yàn)，從硫酸銅晶體TG曲線（圖2）可以形象看到，隨著溫度的升高，硫酸銅晶體脫水反應(yīng)的三個(gè)步驟.

第一步驟是CuSO4·5H2O在375K溫度下，最先失去兩個(gè)配位水，這兩個(gè)水是以配位鍵與銅離子結(jié)合，較易失去.即圖1中以Cu2+為中心的平面四邊形頂點(diǎn)的四個(gè)配位水中的兩個(gè)水分子（即O5i與O6i的水分子）；第二步驟是CuSO4·3H2O在386K溫度下，失去另外兩個(gè)配位水分子，由于這兩個(gè)水分子不但存在配位鍵與銅離子結(jié)合，還存在氫鍵(即O5與O6的水分子)，其與外部的一個(gè)水分子(即O9中的水分子)以氫鍵結(jié)合.因此要脫去這兩個(gè)結(jié)晶水需要的能量比脫去前兩個(gè)結(jié)晶水的能量高一些，要溫度升高一些才能脫去.第三個(gè)步驟是CuSO4·H2O失去最后一個(gè)結(jié)晶水，這個(gè)水分子以氫鍵與2個(gè)配位水分子和硫酸根結(jié)合（即O9中的水分子），即它的氫原子與周圍的SO42-離子中的氧原子之間形成氫鍵，它的氧原子又和與銅離子配位的水分子的氫原子之間形成氫鍵，總體上構(gòu)成一種穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，因此破壞這個(gè)結(jié)構(gòu)需要較高能量，從而使鍵斷裂脫去轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)水硫酸銅.

CuSO4·5H2O晶體在不同溫度下按下列反應(yīng)逐步脫水：

3 結(jié)論

以上分析結(jié)果與無(wú)機(jī)化學(xué)知識(shí)所討論的結(jié)果相吻合，說(shuō)明此方法是可行的，采用X 射線衍射法與熱重分析法對(duì)五水硫酸銅晶體的結(jié)構(gòu)和失水過(guò)程進(jìn)行研究，不僅能清楚看到硫酸銅和五個(gè)水分子的結(jié)合環(huán)境，還能科學(xué)地闡明五水硫酸銅失水的過(guò)程及其質(zhì)量與溫度的變化關(guān)系，更準(zhǔn)確地得出失水的各個(gè)步驟中質(zhì)量的變化量，以及五個(gè)結(jié)晶水的穩(wěn)定性.

Fig.1 The structure of CuSO4·5H2O圖1 CuSO4·5H2O的晶體結(jié)構(gòu)圖

Fig2. The TG curves of CuSO4·5H2O圖2 硫酸銅晶體的TG曲線圖

[1]王 東，胡 丹，楊麗君.膳食纖維的保健功能[J].中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)，2006(9)：48～49。

[2]劉成梅，李資玲，梁瑞紅等.膳食纖維的生理功能與應(yīng)用現(xiàn)狀食品研究與開(kāi)發(fā)[J]，2006(1)：122～124。

[3]于淑玲.食物纖維－第七營(yíng)養(yǎng)素[J].生物學(xué)教學(xué)，2006(5)∶3～4。

[4]梁 敏，潘英明，唐明明等.從柚子皮中提取膳食纖維的研究[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2003(6)∶20～22.