金屬酞菁制備實驗的改進(jìn)

來源：未知發(fā)布日期：2019-04-16 13:59【大中小】

酞菁是由四個吡咯核組成而具有結(jié)構(gòu)的染料。依分子軌道理論，具有這種結(jié)構(gòu)的共軛體系是很穩(wěn)定的。銅、鈷、鎳等金屬酞菁顏料具有優(yōu)良的性能，尤其是銅酞菁顏料的用途廣泛。這種顏料可以用鄰－苯二甲酸酐和尿素、氯化亞銅在鉬酸銨等催化劑作用下加熱熔融制備。酞菁顏料具有很高的日曬牢度和耐酸、耐堿、耐熱性能，也不溶于一般有機溶劑。它們具有良好的牢度與使用性能，特別是銅酞菁及其氯化物是現(xiàn)代十分重要的藍(lán)色和綠色顏料。這類顏料廣泛用于制造涂料、油墨、印鐵油墨、塑料、橡膠等。對織物染整，酞菁顏料除直接用于涂料印花之外，還可以制成暫溶性染料，上染纖維后再經(jīng)一定處理恢復(fù)成為不溶性顏料而使纖維著色。還可作為催化劑、潤滑脂、電子照相感光劑、太陽能電池等應(yīng)用。最主要的品種是銅酞菁。無金屬酞菁也有少量使用。銅酞菁有多種晶型，通常使用的是α型和β型。將其苯環(huán)上的氫原子用鹵素取代，色調(diào)即由藍(lán)色變綠色。
傳統(tǒng)的實驗方法需要用到馬弗爐加熱，在200℃下反應(yīng)2h，由于每一組的同學(xué)稱量藥品的時間不同而造成放入馬弗爐的時間有差異，因此馬弗爐需要不停的打開關(guān)上，使溫度無法維持恒定，且反應(yīng)時間過長不利于在教學(xué)課時內(nèi)完成。酒精燈的加熱溫度為600℃左右，能達(dá)到反應(yīng)的溫度要求，所以將實驗改為直接用酒精燈加熱，最開始采用酒精燈直接加熱，出現(xiàn)了產(chǎn)品燒焦的情況，由此對反應(yīng)溫度的選擇進(jìn)行了討論; 而且在加熱過程中出現(xiàn)了反應(yīng)物因膨脹而溢出的現(xiàn)象，計算發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)中加入的尿素遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出了反應(yīng)的配料比且蓋子上有尿素多聚體晶體析出，由此對尿素的量進(jìn)行了討論; 最后，得到的產(chǎn)品是顆粒狀的，不利于洗滌，由此對研磨與洗滌的順序進(jìn)行了改進(jìn)。
1實驗
1. 1 實驗儀器
電子秤、鑰匙、研缽、坩堝、坩堝鉗、玻璃棒、酒精燈、三腳架、石棉網(wǎng)、燒杯、抽濾瓶、布氏漏斗、濾紙。
1. 2 實驗試劑
鄰苯二甲酸酐( 化學(xué)純) 、尿素、四水合鉬酸銨、氯化亞銅、無水碳酸鈉、氯化銨、濃鹽酸。
1. 3 實驗原理
4 鄰苯二甲酸酐+4 尿素+氯化亞銅鉬酸銨→ Cat. 酞菁銅+水+二氧化碳
1. 4 實驗方法
按教材上的方法進(jìn)行。

2 討論
2. 1 實驗溫度的影響
教材上采用馬弗爐中( 200 ℃ 左右，上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)) 2h制備金屬酞菁，而酒精燈的溫度為600 ℃左右，能達(dá)到反應(yīng)的溫度要求，所以將實驗改進(jìn)為在實驗室直接用酒精燈加熱，考慮到酒精燈溫度比馬弗爐設(shè)定的溫度高，所以采用了墊石棉網(wǎng)來控制反應(yīng)的溫度。實驗按照教材上的配比和操作來進(jìn)行，只改變加熱方式，實驗數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，無論是直接加熱還是墊一層石棉網(wǎng)加熱，都是加熱3 ～ 4min 尿素完全溶解，反應(yīng)1h結(jié)束。但是直接加熱的產(chǎn)品最后焦化了，說明反應(yīng)的溫度過高了; 而墊兩層石棉網(wǎng)加熱的反應(yīng)了2h后反應(yīng)物仍然沒有干，說明反應(yīng)的溫度不夠，得到的產(chǎn)品也顏色偏淡，有大量的白色雜質(zhì)，產(chǎn)品量極少或者幾乎沒有產(chǎn)品。對比分析只墊一層石棉網(wǎng)加熱的產(chǎn)品1h后完全干涸且沒有焦化，效果最佳。需要注意的是: 采用酒精燈加熱反應(yīng)的溫度主要集中在坩堝底部，揭開蓋子以后，熱量比較容易散失且尿素分解產(chǎn)生的氨氣也容易大量跑掉，影響產(chǎn)品的生成，所以反應(yīng)過程中應(yīng)盡量少揭開坩堝的蓋子并保證反應(yīng)物盡可能的在坩堝的中下部，以保證反應(yīng)溫度足夠。綜上，選擇墊一層石棉網(wǎng)加熱效果最好。

2. 2 尿素用量的影響
按照教材上的實驗配比，尿素與鄰苯二甲酸酐中尿素遠(yuǎn)遠(yuǎn)過量在反應(yīng)式中的尿素與鄰苯二甲酸酐的物質(zhì)的量之比為1∶1，而教材上的尿素與鄰苯二甲酸酐的物質(zhì)的量之比為6.3：1按教材上的配比來反應(yīng)會使反應(yīng)物膨脹而溢出坩堝外而加入無水碳酸鈣和氯化銨后等4 ～ 5min后再蓋上蓋子，會造成尿素分解產(chǎn)生的氨氣大量的跑掉和熱量的散失( 氨氣的冷卻也能夠為反應(yīng)提供一定的溫度) ，反應(yīng)完成后坩堝蓋子上會有大量的尿素的多聚體晶體析出。因此保持其他反應(yīng)物的用量不變，只改變尿素的用量和加熱方式( 墊一層石棉網(wǎng)加熱) 來進(jìn)行實驗，實驗數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析，尿素的質(zhì)量并非越多越好，因為尿素的量過多會使反應(yīng)物在前期的膨脹過程中溢出坩堝外，也會使得反應(yīng)物膨脹后距離坩堝底部太遠(yuǎn)而造成溫度過低使反應(yīng)進(jìn)行的不充分或延長反應(yīng)時間; 而尿素的量如果過少會使反應(yīng)物混合的不均勻而使反應(yīng)進(jìn)行的不充分，表現(xiàn)為反應(yīng)后坩堝內(nèi)和蓋子內(nèi)有白色或淺綠色片狀晶體析出，使反應(yīng)得到的產(chǎn)品偏少。因此，選擇尿素的量為1.75g為宜，具體操作為蓋上蓋子反應(yīng)0.5h，攪拌一次，以保證反應(yīng)物盡可能的靠近坩堝底部使反應(yīng)溫度充足。

2. 3 粗產(chǎn)品的純化
剛反應(yīng)完成得到的產(chǎn)品，為焦?fàn)畹墓腆w，如果直接用玻璃棒搟下來進(jìn)行清洗會因為產(chǎn)品顆粒過大而造成雜質(zhì)包裹于其中，難以洗凈的問題。所以得到的產(chǎn)品應(yīng)該從坩堝中取出后立馬用研缽研細(xì)后再進(jìn)行洗滌。金屬酞菁屬于有機物，洗滌過程中使用熱水洗滌比冷水洗滌效果要好一些，而且金屬酞菁的洗滌過程相對較長，如果實驗室條件有限和時間相對較少的話，可以采取反應(yīng)完成后用15mL 熱的2%的鹽酸溶液煮沸浸泡10min后改為熱水洗滌至上清液幾乎沒有顏色為止，抽濾，烘干，稱量。采用這種方法洗滌得到的產(chǎn)品質(zhì)量偏大，往往在0.60～ 0.70g之間。用這種方法如果時間充足且條件允許的話，可以采取用60mL20%的鹽酸溶液浸泡并在磁力攪拌器上攪拌24h后取出攪拌子，改用熱水洗滌至上清液沒有顏色為止，抽濾，烘干，稱量。采用這種方法洗滌得到的產(chǎn)品質(zhì)量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于簡單洗滌的質(zhì)量，說明在洗滌過程中攪拌非常重要，但是在基礎(chǔ)實驗室大學(xué)本科實驗中時間與條件的限制使我們只能對一個實驗進(jìn)行簡單的學(xué)習(xí)和實驗。

3 結(jié)論
改進(jìn)后的實驗與傳統(tǒng)實驗相比: 減少了尿素的用量，避免了反應(yīng)物因膨脹而溢出坩堝的可能，降低了實驗的成本; 降低了對實驗儀器的要求，方法簡單，易于操作; 縮短了反應(yīng)的時間，在實驗室中直接用酒精燈進(jìn)行加熱，能更好的鍛煉學(xué)生的動手能力; 先研磨再洗滌，能得到更純的產(chǎn)品。

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