硫酸铝钾大晶体制备

实验目的

1、了解制备硫酸铝钾的原理及过程

2、了解从水溶液中培养大晶体的方法，制备硫酸铝钾大晶体，学会及时处理问题的技能。实验中细致摸索条件。

3、熟练掌握溶解、结晶、抽滤等基本操作。

试剂

铝片 NaOH(S)

H2SO4（3mol/L 1:1） 浓硫酸 K2SO4 (S) KOH(S)

实验原理

1、KAl（SO4）2的制备 2Al2NaOH6H2O2NaAl(OH)43H2

2NaAl(OH)4H2SO4 2Al(OH)3H2ONa2SO4

3H2SO42Al(OH)3Al2(SO4)36H2O

Al2(SO4)3K2SO424H2O2KAl(SO4)212H2O

2、明矾籽晶培养

保持溶液在一个适当的过饱和度，在一定温度下通过溶剂蒸发使晶体析出，静置一段时间使籽晶形成完整晶型。

3、大晶体制备

通过加热与溶解调解母液的浓度及温度至合适的值，将饱和溶液在室温下静置，靠溶剂的自然挥发来创造溶液的准稳定状态，人工投放晶种让之逐渐长成单晶。

KAl(SO4)212H2O

溶解度曲线利用原料和硫酸铝钾的溶解度与温度之间的关系可以计算出所需要的原料量。

实验过程

1、Al2(SO4)3的制备

4.5gNaOH 60mL水 溶解 Al屑

至反应基本完全

分批加入

250mL 20-30mL水 趁热抽滤

滤液 加热沸腾 250mL

3mol/L H2SO4 至pH8-9 加热

抽滤

趁热抽滤

250mL Al(OH)3 20mL 1:1H2SO4

水浴加热 沉淀溶解

Al2(SO4)3溶液

2.籽晶制备

I. 取20克产物放入烧杯，加水200ml并加热至沸腾，在烧杯口上架一根玻

璃棒，然后把一根尼龙线悬于溶液中间。

II. 把溶液置于不易振荡，易蒸发的地方，在烧杯口盖上一张滤纸以防止灰尘

的进入，静置1～2天。

III. 把线绳上较小，不规则的籽晶去掉，留 下较大的，八面体形状的籽晶。

3.大晶体的培养

①把取出籽晶后的溶液加热，使烧杯底部的小晶体溶解，并持续加热一小段时间。 ②将溶液冷却至30～40℃，若溶液析出晶体，则过滤晶体，若溶液没有饱和则需加入 KAl(SO4)2•12H2O再加热，直至把溶液配成30～40℃的饱和溶液。在此温度时有利于籽晶快速长大，同时不至于晶体在室温升高时溶解。 ③把籽晶轻轻吊在饱和液并处于溶液中间。

④多次重复①②③，直至得到无色、透明、八面体形状的硫酸铝钾大晶体。在晶体生长过程中，应经常观察，若发现籽晶上又长出小晶体，应及时去掉。若杯底有晶体析出也应及时滤去，以免影响晶体生长。

以下是在实验中的附图

铝与氢氧化钠的反应

抽滤得到偏铝酸钠溶液

pH控制使氢氧化铝沉淀达到最大

抽滤得到氢氧化铝沉淀

用浓硫酸溶解氢氧化铝并加入硫酸钾

得到硫酸铝钾晶体

实验结果

讨论

首先，从原理上来讨论一下这个实验。

我们常说的沉淀根据物理性质（沉淀颗粒的大小）来分，可以分为晶型沉淀（0.1~1um）和无定型沉淀（<0.1um）。构晶离子在成核作用下形成晶核，晶核经历长大的过程就形成了沉淀颗粒。如果晶核的成长是按一定方向定向排列，则形成晶体沉淀。

而成核过程分为两种，一种是均相成核，溶质从均匀液相中自发产生晶核。另一种是异相成核，溶质因为外来杂质的影响形成晶核。

产生晶核以后，过饱和的溶质在晶核上聚集起来，晶核逐渐成长为沉淀颗粒。而最终得到的沉淀类型则受到晶核形成速度v的影响。当晶核形成速度v<晶核成长速度时，获得较大的沉淀颗粒，定向排列形成晶型沉淀；而当晶核形成速度v很快的时候，形成大量的微晶，得到细小的胶状沉淀。

v=K(Q-S)/S

Q表示溶质的总浓度，S表示晶核的溶解度，K为与沉淀性质、温度、介质有关的常数，（Q-S）为过饱和度，（Q-S）\\S为相对过饱和度

因而相对过饱和度越小，晶核形成速度越慢，可以得到较大颗粒的沉淀。各种沉淀都有一个能大量产生晶核的相对过饱和极限值，称为临界值，控制相对过饱和度在临界值一下，常常能得到大颗粒的沉淀。

通过查阅资料，得知结晶要成功的进行操作，主要由四个方面决定：1.溶解度和相的关系；2.晶体悬浮液的流体动力学；3.介稳态极限和成核特征；4.晶体生长速率。为达到制取大晶体的目的，主要就要从过饱和度，晶体成核以及晶体生长三个方面来研究。

图中AB线为普通的溶解度曲线，CD线代表溶液过饱和而能自发的产生晶核的浓度曲线（超溶解度曲线），它与溶解度曲线大致平行。这两根曲线将浓度-温度图分割为了三个区域。在AB曲线下世稳定区，在此区中溶液尚未达到饱和，因此没有结晶的可能。AB线以上为过饱和溶液区，此区又分为两个部分：在AB与CD线之间称为介稳区，在这个区域中，不会自发地产生晶核，但如果溶液中已经加入了晶种，这些晶种就会长大。CD线以上是不稳区，在此区域中，溶液能自发地产生晶核。若原始浓度为E的洁净溶液在没有溶剂损失的情况下冷却到F点，溶液刚好达到饱和，但不能洁净，因为它还缺乏作为推动力的过饱和度。从F点继续冷却到G点的一段期间，溶液经过介稳区，虽已处于过饱和状态，但仍不能自发的产生晶核。只有冷却到G点后，溶液才能自发地产生晶核，越深入不稳区，自发产生的晶核也越多。由此可见，超溶解度曲线及介稳区、不稳区对结晶过程有重要的意义。

对于本实验，通过植入籽晶，依靠晶体的长大和溶剂的自然挥发来保证一定的过饱和度。如果能控制过饱和度在介稳区内，则可以使植入籽晶成长为一颗较大的单晶。

在实际的晶体培养过程中，我做了几组实验，通过控制溶液的浓度，来寻找比较合适的溶液浓度。均使用了20g的硫酸铝钾，分别溶解在130ml、110ml、90ml和70ml的蒸馏水中，再将选好的籽晶放入此浓度的溶液中进行培养。发现在130ml溶液中的晶体并未长大；在110ml溶液中的晶体长大也不明显；在90ml溶液中的晶体有明显的长大，绳子上几乎没出现其他小晶粒，在杯底形成少量晶体；在70ml溶液中培养的晶体，在又绳上产生了大量籽晶，在杯底也出现很多晶体沉淀。因而，在后续的晶体培养中，全部选取了20g硫酸铝钾90ml水这个

浓度进行晶体的培养，定期出去杯底的硫酸铝钾结晶。

但是在随后的观察中发现，如果保持此状态不变，当晶体成长到一定大小以后就不会再生长，必须适当的增加溶液浓度（溶入少许硫酸铝钾晶体），才能使晶体继续生长。

这就是对这个实验的一些总结和讨论。