一、样品介绍

五水硫酸铜也被称作硫酸铜晶体。俗称蓝矾、胆矾。其化学式为CuSO·5H₂O（是纯净物），为蓝色晶体，其分子式的量为249.68。含水量36%。是硫酸铜吸水后形成的。五水合硫酸铜在常温常压下很稳定，不易潮解，在干燥空气中会逐渐风化，加热后会失去五个水。

本次试验，使用的是“南京大展TGA/DSC同步热分析仪”对五水硫酸铜不同阶段脱水温度及脱水量进行分析。

二、仪器介绍

1、差示扫描量热法（DSC）

物质在物理变化和化学变化过程中往往会伴随着热效应，放热和吸热现象反映了物质热焓的变化。差热分析仪就是测定在同一受热条件下，测量试样与参比物之间温差对温度或时间的函数关系。

差示扫描量热法（DSC）是在差热分析（DTA）的基础上发展起来的一种热分析技术。它是在程序控制温度的情况下，测量输出物质与参比物的功率差与温度关系的一种技术。简称DSC。

本次五水硫酸铜失水实验中，此方法可以测得硫酸铜不同脱水阶段的起始温度。

2、热重法（TG）

热重法是在程序控制温度下，测量物质的质量变化与温度关系的一种技术，其基本原理是热天平。热重分析仪（TGA）是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器。热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系。

当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质。

此方法可以测得本次实验五水硫酸铜不同阶段的失水百分比。

南京大展TGA/DSC同步热分析仪

三、实验

1、取样

取适量五水硫酸铜放置在铝坩埚中，稍微压实，以让其充分受热。另取一只空铝坩埚做参比。如下图所示：

2、按照仪器使用说明书的操作步骤对产品进行热重分析。

操作条件如下：

样品质量：21.80 mg设定升温温度：330 ℃
升温速率：10℃/min 恒温时间：0 min

3、测定完成后，分析记录仪器绘制的曲线，处理数据，得出五水硫酸铜分几步失水，每步的失水温度、失水量，样品总计失水的质量等。

四、图谱分析及数据处理

1、不同阶段脱水量分析

如图所示，从DSC曲线上可以看出五水硫酸铜失水分三个阶段。分别为：

①、37℃-118℃，失重百分比为14.38％；

②、119℃-177℃，失重百分比为15.49%；

③、227℃-301℃，失重百分比为7.46%。

（注：温度取点为靠近初始失重点水平方向上选取）

从失重比例上可分析第一阶段和第二阶段分别失去两个水分子，第三阶段失去一个水分子。三个阶段失重百分比之和 14.38％ + 15.49% + 7.46% = 37.33%。与理论值36%的脱水量吻合。

2、三个阶段脱水起始温度分析

从三张图中可以看出，三个阶段起始脱水温度分别为70.2099℃、117.1201℃、230.8228℃。

3、热失重速率（DTG）分析

DTG的曲线表示质量随时间的变化率(dm/dt)与温度(或时间)的函数关系： dm/ dt= f (T) 或f (t) DTG曲线的峰顶为dm/dt=0，对应于TG曲线的拐点，即失重速率的最大值；DTG 曲线上的峰数目对应于TG曲线上的台阶数目，即失重的次数；DTG曲线的峰面积正比于失重量，可用于计算失重量。

从图中可以看出DTG上三个峰对应于TG曲线上的三个脱水阶段。最大失重速率出现在第二脱水阶段，约为6%/min，即每分钟失去6%的质量。

五、实验总结与注意事项

1、五水合硫酸铜晶体结构：
CuSO4·5H2O晶体结构中，Cu离子呈八面体配位，为四个H2O和两个O所围绕。第五个H2O与Cu八面体中的两个H2O和[SO4]中的两个O连接，呈四面体状，在结构中起缓冲作用。

五水合硫酸铜结构
2、失水过程
通过查阅资料得知，五水合硫酸铜晶体失水分三步，上图中两个仅以配位键与铜离子结合的水分子最先失去，大致温度为102摄氏度。两个与铜离子以配位键结合，并且与外部的一个水分子以氢键结合的水分子随温度升高而失去，大致温度为113摄氏度。最外层水分子最难失去，因为它的氢原子与周围的硫酸根离子中的氧原子之间形成氢键，它的氧原子又和与铜离子配位的水分子的氢原子之间形成氢键，总体上构成一种稳定的环状结构，因此破坏这个结构需要较高能量。失去最外层水分子所需温度大致为258摄氏度。
3、实验失水情况与理论比较
实验测得的三个失水阶段失重百分比14.38％、15.49% 和 7.46%与理论值14.4%、14.4%和7.2%有较小误差；三个失水阶段起始脱水温度分别为70.2099℃、117.1201℃、230.8228℃。与理论值102℃、113℃和258℃有一定误差。通过对实验过程进行思考探究，原因分析如下：
① 试样不纯, 有杂质
实验采用的五水硫酸铜存储了有一段时间了，炎热的天气对其纯度也有一定很影响。
② 试样量选取
试样量的多少主要影响水蒸汽的扩散和通过试样的热传导程度，从而对曲线形状和失重速率产生影响。
③ 试样粒度
一般说来, 试样粒度小的比粒度大的热分解温度低。实验选取的是粒度大小不一的样品。
④ 试样的干燥程度和保存条件、压实的填密程度等都对曲线有一定影响。
⑤ 外界条件
测试时, 环境温度、实验台抗振性、实验人员的走动引起的空气流动等外界条件对结果也有影响。

⑥ 升温速率

一般来说，升温速率越大，测得的值会相对有较大误差。

综合这些因素，五水硫酸铜失水实验应该注意选取适量的、粒度均匀的、保存完好的样品。实验应该在抗振性能良好的试验台上进行。实验进行时，应尽量避免实验人员走动，仪器周围不能有强烈的空气流动，不能有碰压仪器