走在街上到处可发现被抛弃的饮料罐

走在街上到處可發現被拋棄的飲料罐，其中鋁罐是不易被分解的廢棄物之一，其平均壽命約為一百年。鋁雖是地殼中含量第三多的元素，但並不表示是用之不盡的。必須找出一可行方法來回收。鋁是活潑的金屬，但與稀酸反應很慢，因其表面常被一層氧化鋁保護著。而鹼性溶液可溶解此氧化鋁，進一步再與鋁反應，鋁片與過量鹼反應形成可溶的Al(OH)-4反應如式(1-1)所示；當加入酸時可移去一個OH-產生白色絨毛狀Al(OH)3沉澱，如式(1-2)所示。繼續加酸則Al(OH)3變成Al3+溶解於酸中；若將鹼加入Al(OH)3中，則產生可溶解的Al(OH)4-。像Al(OH)3這種既能溶於強酸又能溶於強鹼的物質，稱為兩性物質(Amphotericsubstances)。其他如Sb(OH)3、Cr(OH)3、Zn(OH)2、Ga(OH)3、Ti(OH)4等均為兩性化合物。2Al(s)+2KOH(aq)+6H2O(l)→2K+(aq)+2Al(OH)4-(aq)+3H2(g)------(1-1)Al(OH)4-(aq)+H+(aq)→Al(OH)3(s)+H2O(l)------------------------------(1-2)Al(OH)3(s)+3H+(aq)→Al3+(aq)+3H2O(l)---------------------------------(1-3)明礬(Alum，M+M3+(SO42-)2•12H2O)是離子化合物，能從含硫酸根(SO4-2)、三價陽離子(如：Al3+、Cr3+、Fe3+)和一價陽離子(如：K+、Na+、NH4+)的過飽和溶液中結晶出來，在適當條件下並可長成相當大的晶體。明礬晶體構如圖二所示，其結晶層中含有12個水分子，其中6個與三價陽離子緊密結合，其餘六個與硫酸根及一價陽離子較弱結合。本實驗目的即是利用廢棄的鋁罐與鹼反應生成鋁明礬。實驗的流程如下：Al(s)KOH(aq)△Al(OH)4-H2SO4△(aq)Al3+(aq)(aq)SO42-(,,)K+OH2冷卻KAl(SO4)2H2O．12(s)明礬沉澱的平均方程示如式1-4:K+(aq)+Al3+(aq)+2SO42-(aq)+12H2O(l)→KAl(SO4)2•12H2O(s)........(1-4)-6-圖二、明礬結晶分子結構圖物質在溶液中的存量若比溶解度大時(稱為過飽和溶液)，會沉澱析出固體。由於不同物質在相同條件下的溶解度不同﹐所以可利用此特性將物質分離純化，稱為晶析法(Crystallization)。最常用的結晶分離技術有兩種﹐其一是改變溫度降低溶質溶解度，使溶液成為過飽和，而溶質晶析出來；其二是在溶液中加入對該溶質不溶的溶劑﹐降低溶質在此混合溶劑中的溶解度，而使該溶質晶析出來。原理雖然簡單﹐但由於晶析的速度快慢會影響晶粒的大小及純度，因此當溶質為混合物時，能否利用其間的溶解度差異把物質分開，純熟的實驗技術是成功的關鍵，所以有人說「養晶」是一種藝術。當純物質固化時，依熱力學定義，在特定的條件下可整齊排列形成晶體，完成整齊排列而成的單一晶塊稱為單晶(singlecrystal)。單晶的形成必須在緩慢的長晶程序下完成。長成的單晶可顯示出單位晶格的幾何結構特徵：譬如食鹽的單晶是正立方體，正如其晶格形狀；明礬的晶格可以是正立方體、單斜晶形、或六邊體形。因此在本實驗中另外將初步所合成的鋁明礬(粗晶)，利用其在熱水中的溶解度較在冷水中大的特-7-性，使用熱水為溶劑，再以結晶技術純化養成單晶，期能回收純鋁明礬並觀察其結構。而欲使晶體長成具有完美結構時，可以利用種晶法：先取一顆小的晶體（晶種），以絲線懸在飽和溶液之中央，溶液中的離子會在晶種的表面依次堆疊，緩慢長成具有完整表面的晶體。自然界中並不存在所謂的純物質，因為純物質中通常含有雜質。譬如鋁礬中的Al3+或K+可被其他陽離子所取代。本實驗中以鉻(III)離子取代Al3+，因為二者氧化數相同且大小相若，若溶液中同時存在Cr3+、Al3+，則在晶種的表面繼續結晶的時候，部分鋁離子的位置可以被鉻離子所取代而將鋁明礬變成鉻鋁礬，其反應式1-5表示如下：KAl(SO4)2•12H2O(s)+KAl(SO4)2•12H2O(aq)+KCr(SO4)2•12H2O(aq)→K[(Al,Cr)(SO4)2]•12H2O(s)..............................................(1-5)由於鉻屬於過渡金屬，其3d軌域的能階差落在可見光範圍內，故鉻礬呈深藍紫色；而鉻鋁礬則視取代程度不同，呈現深淺不一的紫色。可利用一粒鋁礬的晶體作為晶核，在含有鉻礬及鉻礬的飽和溶液中緩慢長出鉻鋁礬的單晶，並觀察其結構。-8-實驗1—1：從廢鋁罐製備明礬一、目的：回收廢棄鋁罐備製明礬，再利用結晶法加以純化，並從而學習抽氣過濾裝置的使用，及結晶的分離純化及養晶技術。二、藥品：9.0M硫酸(sulfuricacid,H2SO4)1.4M氫氧化鉀(potassiumhydroxide,KOH)酒精(ethanol)/水(1:1,v/v)混合液硫酸鉻鉀(chromicpotassiumsulfate,KCr(SO4)2•12H2O)三、儀器：水流式抽氣機剪刀（自備）抽氣過濾瓶砂紙塑膠燒杯(1000mL)燒杯(100mL)瓷漏斗及橡皮塞濾紙錐形瓶(50mL)鋁箔紙凡士林棉線牙籤電磁攪拌加熱器四、實驗步驟：(一)鋁明礬之製備1.請自備一個鋁質易開罐。2.剪下約5*5cm大小的鋁片一塊，以砂紙將內外表皮均磨光，並剪成小片。註：鋁片可剪得越細越好，可先剪成細梳齒狀，再橫剪成小碎片，以增加反應面積。3.秤取約0.5g之鋁片，計錄精確重量。4.將鋁片置於150或100mL之燒杯內，加入25mL之1.4MKOH(aq)。在排煙櫃中使用電磁加熱攪拌器低溫攪拌加熱，以使反應加速。註：由於鋁片和KOH反應會放出氫氣並伴隨有惡臭，因此務必在抽煙櫃中進行，且切記避開火源(氫氣與空氣混合後易爆)。-9-5.反應過程中，觀察鋁片在水中有週期性升降(上下浮沉)的現象，解釋其可能原因?當氫氣不再冒出(約30分鐘)即表示反應完全。6.架設抽氣過濾裝置（參考附錄一），以抽氣過濾法迅速過濾此熱溶液。利用滴管吸取蒸餾水約5mL潤洗燒杯，並將潤洗液一併過濾。7.將澄清濾液倒入150或100mL的燒杯中，以少量蒸餾水(約3mL)潤洗過濾瓶，再將洗液併入燒杯中。將燒杯置於冷水浴中，緩慢加入10mL9MH2SO4。註:加酸過程中會放熱。8.硫酸加完後若仍有白色的Al(OH)3沉澱，可將燒杯外的水擦乾後，置於電磁加熱攪拌器上加熱溶解。若仍有其他固體不溶物存在，則使用一般漏斗迅速趁熱以重力過濾法除去，不可使用抽氣漏斗。註:最後溶液的總體積應維持約30mL或甚至更少，以免溶液未達飽和，鋁礬無法結晶析出。9.將步驟8之澄清溶液(此時溶液中含有Al3+,SO4-2,K+)倒入燒杯中，放冷至室溫﹐若無結晶生成，可用玻棒輕刮器壁，誘導結晶產生，再以冰水浴冷卻使明礬結晶完全。註:若冰水浴後仍無結晶析出，可能是溶液濃度太低未達飽和，試想該如何處理?10.利用抽氣過濾法收集產物，並用玻棒將產物壓碎鋪平後，以約12mL之酒精與水混合溶液(1:1,v/v)分次潤洗燒杯及清洗漏斗內的產物，持續抽氣十分鐘使產物乾燥，秤其精確重量並計算產率。註：若產量太差，可將濾液加熱濃縮後再次進行結晶。11.所有過濾步驟請參照圖一所示。(二)鋁明礬之再精製11.取一乾淨50mL錐形瓶，瓶外標示班級、組別、姓名。12.秤取鋁礬(即初步結晶)，精確記錄所有重量，置於瓶中。13.以每克鋁礬加3mL水的比例，加適量蒸餾水加熱使瓶中鋁礬完全溶解或直接加適量熱水於鋁礬中(使用溶劑應儘量減少以提高產率)，並加熱使鋁礬溶解。註：若溶液中仍有其他不溶性固體雜質存在，則再用一般漏斗趁熱過濾去除雜質。14.將熱的鋁礬溶液靜置、放冷、讓它慢慢長晶。註：可用鋁箔紙封住瓶口上戳數個小洞，靜置到下週收集產物。-10-註：此一冷卻過程若越緩慢越好，若室溫過低，可利用水浴法使降溫過程變慢，以利晶體緩慢長成。【以下步驟待下次實驗課時進行】15.如步驟10清洗、收集產物並計算產率。（三）鉻鋁礬製備之步驟1.在步驟14中所得結晶，挑選一顆具有良好結晶面，且大小適中的鋁礬結晶作為晶種。用棉線綁住線的另一端，再用綿線綁在牙籤上，過長的線尾剪掉，懸線並塗上凡士林，以防止結晶長在線上。註:勿將凡士林塗到晶種，以免影響結晶形狀。2.取4g鋁礬置於50mL錐形瓶中，加25mL蒸餾水加熱將其溶解。3.另取7g鉻礬(KCr(SO4)2•12H2O)置於燒杯中，加12mL蒸餾水加熱將其溶解。4.將鉻礬溶液緩緩加入於鋁礬溶液中，直到此混合溶液置於燈光下看仍可保持透明澄清為止。註:剩餘之鉻礬溶液含重金屬鉻，請務必回收至通風櫥中廢溶劑回收瓶內。5.待鉻鋁礬混合溶液冷卻至室溫以後，調整晶種懸線長度，使其恰可懸掛在錐形瓶中的溶液中央(見圖三)。以鋁箔紙封住瓶口後，靜置長晶。註：須確定混合液已冷卻才將晶種置入，以免晶種溶解。6.隔週取出結晶，觀察晶形，可持續養晶數週。圖三、鉻鋁礬製備裝置圖六、問題：1.試解釋為何鋁片會在溶液中週期性浮降？2.試解釋為何輕刮器壁可誘導結晶產生？-11-3.請繪出鋁礬及鉻鋁礬之晶形並比較之。4.試比較抽氣過濾法及重力過濾法之優缺點及使用時機。在哪些時候必須趁熱過濾？-12-實驗1-2：苯甲酸之再結晶純化一、目的本章介紹如何利用再結晶法純化物質並學習長晶之基本技巧，並從而學習抽氣過濾裝置的使用，及結晶的分離純化及養晶技術。二、藥品苯甲酸、丙酮、甲醇、石油醚、甲苯、環己烷三、儀器微量抽濾裝置、水流式抽氣機、剪刀（自備）、抽氣過濾瓶、瓷漏斗及橡皮塞、濾紙、塑膠燒杯(1000mL)、燒杯(100mL)、錐形瓶(50mL)、試管四、步驟（一）溶解度測試1.先取少量苯甲酸不純物試樣測量熔點。2.將大約0.15g苯甲酸不純物試樣分別裝在五支試管中（分別加上標示），各加入2mL的水、甲醇、石油醚、甲苯、丙酮，將觀察結果記錄於下表：溶劑水甲醇石油醚甲苯丙酮室溫下之溶解度※溶劑沸點時之溶解度降溫時是否產生結晶※溶解度可以標示如S(可溶,souble)或I(不可溶,insouble)3.若未知物在室溫下可以完全溶解在某溶劑中，記錄後將溶液倒入通風櫥中的回收瓶（亦即此溶劑不適用於此未知物之再結晶）。4.若室溫下不能將苯甲酸不純物完全溶解，則將試管在通風櫥中以水浴加熱至完全溶解或加熱至到達溶液之沸點，觀察溶液之變化。5.將試管慢慢冷卻或冰浴，觀察結晶是否產生。若晶體無法產生，可以加入少許苯甲酸不純物作為晶種以利結晶之產生。6.過濾所得到之晶體，待其乾燥後測其熔點。【註】過濾過程可以加入少許冰溶劑清洗晶體。-13-（二）不純有機物質之純化1.取1g的苯甲酸不純物試樣測其熔點後分成兩份。2.將其中一份的0.5g苯甲酸不純物放在50mL錐形瓶中，加入10mL蒸鎦水並以加熱器加熱之，加熱過程中可用玻棒攪拌或置入2-3粒沸石，加熱至溶液沸騰或固體完全溶解。2-a.如已達溶液之沸點但仍有未溶之固體（仍有不溶物，可能是雜質），趁熱迅速重力過濾以除去雜質。2-b.若溶液有顏色，則待溶液稍冷後，加入少量活性碳，加熱至溶液沸騰後趁熱迅速重力過濾除去活性碳。3.如無不溶固體且溶液為澄清無色，則不須過濾溶液，直接靜置待晶體慢慢析出。4.利用抽氣過濾法將晶體與溶液分離，以少許冷水（1-2mL）潤洗此晶體，將此晶體稱為晶體A，待其乾燥後秤重並測量熔點。5.將剩下的0.5g苯甲酸不純物置於50mL錐形瓶中，加入少量熱甲苯使其溶解。（若溶液有顏色，則加入少量活性碳後將溶液重力過濾）。6.以數滴熱甲苯預熱過濾裝置，將溶液迅速重力過濾。如濾液呈混濁，則重新加熱濾液或加入少許（1-2mL）熱甲苯溶解已析出之固體。7.逐漸緩慢的滴入環己烷至溶液開始產生雲霧狀物體。再加入與環己烷等量之熱甲苯至溶液轉為澄清後靜置，待溶液緩慢冷卻至室溫，此時開始有晶體析出。8.將溶液置於冰水浴中降溫（注意不可過久而