明矾的制备及其定性检测

前言

（一）明矾的性状

明矾（水合硫酸铝钾，KAl(SO4)2·12H2O或K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O，英文名Aluminium potassium sulfate dodecahydrate），又称白矾、钾矾、钾铝矾、钾明矾，是含有结晶水的硫酸钾和硫酸铝的复盐，属于α型明矾类复盐。无色立方晶体，外表常呈八面体，或与立方体、菱形十二面体形成聚形，有时以{111}面附于容器壁上而形似六方板状，有玻璃光泽；密度cm3，熔点℃；℃时失去9个分子结晶水，200℃时失去12个分子结晶水，溶于水，不溶于乙醇。

（二）明矾的用途

1．明矾作为净水剂

明矾在水中可以电离出两种金属离子：KAl(SO4)2 ═ K+ + Al3+ + 2SO42-

而Al3+很容易水解，生成胶状的氢氧化铝：Al3+ + 3H2O ═ Al(OH)3 + 3H+（可逆）氢氧化铝胶体颗粒有较大的表面积和很强的吸附能力，可以吸附水中悬浮的杂质，并形成沉淀，使水澄清。

2．明矾作为灭火剂

泡沫灭火器内盛有约1mol·L-1的明矾溶液和约1mol·L-1的NaHCO3（小苏打）溶液（还有起泡剂），两种溶液的体积比约为11:2。明矾过量是为了使灭火器内的小苏打充分反应，释放出足量的二氧化碳，以达到灭火的目的。

2KAl(SO4)2·12H2O + 6NaHCO3═ K2SO4 + 3Na2SO4 + 2Al(OH)3↓ + 6CO2 ↑ + 24H2O 3．明矾作为膨化剂

炸油条（饼）或膨化食品时，若在面粉里加入小苏打后，再加入明矾，则会使等量的小苏打释放出比单放小苏打多一倍的二氧化碳，这样就可以使油条（饼）在热油锅中一下子膨胀起来。

2KAl(SO4)2·12H2O + 6NaHCO3═ K2SO4 + 3Na2SO4 + 2Al(OH)3↓ + 6CO2↑ + 24H2O

2NaHCO3═ Na2CO3 + CO2↑ + H2O

4．明矾作为药物

明矾性寒味酸涩，具有较强的收敛作用。中医认为，明矾具有解毒杀虫，爆湿止痒，止血止泻，清热消痰的功效，也用来治疗高脂血症、十二指肠溃疡、肺结核咳血等疾病。近年来的研究证实，明矾还具有抗菌，抗阴道滴虫等作用。

5．其他作用

明矾还可用于制备铝盐、油漆、鞣料、媒染剂、造纸、防水剂等。

（三）明矾的危害

近年来发现，铝对人体有害。由于明矾的化学成份为硫酸铝钾，含有铝离子，所以过量摄入会影响人体对铁、钙等成份的吸收，导致骨质疏松、贫血，甚至影响神经细胞的发育。当明矾作为食品添加剂，被人食用后，基本不能排出体外，它将永远沉积在人体内。其毒副作用主要表现为：明矾可以杀死脑细胞，使人提前出现脑萎缩、痴呆等症状，影响人们的智力，对生命影响不大。因此，一些营养专家提出，要尽量少吃含有明矾的食品。而且长期饮用明矾净化的水，可能会引起老年性痴呆症。因此现在已不主张用明矾作净水剂了。2003年世界卫生组织曾将明矾列为有害食品添加剂。

虽然我国早在30多年前就曾禁止过铝制餐具的使用及明矾作为食品添加剂，但最近几年，人们在这方面的意识越来越淡薄，导致明矾的使用率有所上升。

实验原理

本实验采用回收饮料铝罐制备明矾。

（一）明矾的合成

走在街上到处可发现被抛弃的饮料罐，其中铝罐是不易被分解废弃物之一，平均寿命约达一百年。铝虽是地壳中含量第三的元素，但并不表示是用之不尽的，必须找出一可行方法来回收。一般回收的铝罐多是经加热熔融后再制成其它铝制品重复利用。在本实验中，则是将废弃的易拉罐经一系列的化学反应制成具净水功能的明矾，藉以了解铝的化学性质。

铝是活泼的金属，其表面空气中的氧反应生成致密的氧化五保护膜，因此在空气中稳定。与稀酸反应很慢，碱性溶液可溶解此氧化层，进一步再与铝反应形成 Al(OH)4

- 而溶解于碱液中：

2Al(s) + 2KOH(aq)+ 6H2O(l)→ 2K+(aq)+ 2Al(OH)4-

(aq) + 3H2(g) (1)

在上述（1）溶液中加入酸时，首先产生白色柔毛状 Al(OH)3 沉淀：

Al(OH)4-(aq) + H+(aq)→ Al(OH)3(s) + H2O(l) (2)

继续加酸，则 Al(OH)3(s) 变成 Al3+ 溶解于酸中：

Al(OH)3(s) + 3H+(aq)→ Al3+(aq) + 3H2O(l)

(3)

加热浓缩含SO42-、Al3+ 和 K+ 的溶液，KAl(SO4)2·12H2O即可从过饱和溶液中结晶出来，在适当条件下并可长成相当大的晶体。

不同温度下明矾、硫酸铝、硫酸钾的溶解度（/100gH2O）如下表所示：

温度 T/K273283293303313333353363 KAl(SO4)2·12H2O/ g109 Al2(SO4)3 /g

K2SO4/g

（二）重结晶分离纯化及养晶技术

1．重结晶分离纯化

物质在溶液中的含量若比溶解度大即形成过饱和溶液时，溶液中会沉淀析出固体。由于不同物质在相同条件下的溶解度不同，所以可利用此特性将物质分离、纯化，称为重结晶法。最常用的结晶分离技术有两种，其一是改变温度或蒸发溶剂降低溶质溶解度，使溶液成为过饱和而溶质晶析出来；其二是在溶液中加入另一种溶质不溶的溶剂，降低溶质在混合溶剂中的溶解度而晶析出来。

因为明矾的溶解度受温度的影响很大，所以本实验主要采用的是降温法，利用明矾在热水中的溶解度较冷水中大的特性使用热水为溶剂重结晶得到明矾晶体，即是冷却热饱和溶液的方法。

2．单晶的培养

晶体有一定的几何外形，有固定的熔点，有各向异性等特点。

晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：① 介质达到过饱和、过冷却阶段；② 成核阶段；③ 生长阶段。晶体在生长的过程中要受外界条件的影响，如涡流，温度，杂质，粘度，结晶速度等因素的影响。晶体生长的方法有多种，对于溶液而言，只需蒸发掉水分就可以；对于气体而言，需要降低温度，直到它的凝固点；对于液体，也是采取降温方式来变成固体。3．溶液中晶体的结晶方式

当溶液达到过饱和时会析出晶体，结晶方式有：

①降低温度。大多数溶质的溶解度随温度的降低而减小，使溶液达到过饱和而使溶质析出，如岩浆期后的热液越远离岩浆源，则温度渐次降低，各种矿物晶体陆续析出。

②水分（溶剂）蒸发，如天然盐湖卤水蒸发制取粗盐就是这种方式，通过蒸发减少溶剂的量，使溶液达到过饱和而析出晶体。

③通过化学反应，生成难溶物质（晶体）。需要说明的是，这种结晶方式对于制备单晶的大晶体而言一般不适合，因为溶液中化学反应进行较快，生成很小的晶体，难以长成大晶体。

4．影响晶体生长的因素

决定晶体生长形态的因素有内因和外因。影响晶体生长速度的内在因素主要有溶液的过饱和度、pH 值、环境相成分、溶剂和杂质等。同一种晶体在不同的条件生长时，晶体形态是可能有所差别的。影响晶体生长的外部因素主要有涡流、温度、杂质、粘度、结晶速度。同一种晶体在相同的生长系统中，外界因素（如压强、浓度、温度等）的变化，也会影响晶体生长的速度和晶体形状。

影响晶体生长的外部因素还有很多，如晶体析出的先后次序也影响晶体形态，先析出者有较多自由空间，晶形完整，成自形晶；较后生长的则形成半自形晶或他形晶。同一种矿物的天然晶体于不同的地质条件下形成时，在形态上、物理性质上部可能显示不同的特征，这些特征标志着晶体的生长环境，称为标型特征。

5．晶体的溶解和再生

（1）晶体的溶解

把晶体置于不饱和溶液中晶体就开始溶解。由于角顶和棱与溶剂接触的机会多，所以这些地方溶解较其它部位快，因而晶体可溶成近似球状，如明矾的八面体溶解后变成近似于球形的八面体。

（2）晶体的再生

破坏了的或溶解了的晶体处于适宜的环境中又可恢复多面体形态，称为晶体的再生。溶解和再生不是简单的可逆过程。晶体溶解时，溶解速度是随方向逐渐变化的，因而晶体溶解可形成近于球形；晶体再生时，生长速度随方向的改变而突变，因而晶体又可以恢复成几何多面体形态。

综上所述，依据晶体生长的热力学相图及生长动力学的知识，在明矾溶液中制备沉底晶体要探索适宜的条件。通过加热将明矾溶解在一定量的蒸馏水中，制成饱和溶液，随着温度的降低和溶剂的蒸发使溶液达到过饱和，析出明矾晶体并继续生长。

实验用品

仪器：100cm3烧杯，玻璃漏斗，漏斗架，布氏漏斗，抽滤瓶，蒸发皿，表面皿，玻

璃棒，试管，台秤，电加热套，温度计，磁力搅拌器。

试剂： KOH （2mol?L-1），NH3·H2O （6mol?L-1），H2SO4（1:1），HAc （6mol?L-1），BaCl2（1mol?L-1），Na3[Co(NO2)6]，铝试剂

材料：废铝（可用铝质牙膏壳、铝合金罐头盒、易拉罐、铝导线等），pH 试纸，涤纶线。

实验步骤

（一）KAl(SO4)2·12H2O 的制备

1．剪下约4 × 4 cm的铝片一块，以砂纸将内外表面均磨光并剪成小片。

注：废铝原材料必须清洗干净表面杂质；裁剪铝片应小心，避免割伤。

2．称取约 1 g铝片，记录精确重量。

3．制备Na[Al(OH)4]

将铝片置于 100 mL烧杯中，加入 30 mL 的2 mol?L-1 KOH(aq)。在通风柜中使用水浴微微加热，以加速反应。反应完毕后，趁热减压过滤。

注：① 由于铝片和 KOH 反应会产生氢气（氢气与空气混合后易爆）并伴随有恶臭，因此务必在通风柜中进行，且切忌与火源接近。

② 反应过程中，观察铝片在水中有周期升降（上下浮沉）的现象，试解释其可能原因。当氢气不再冒出即表示反应完全。

4．氢氧化铝的生成和溶解

将抽滤瓶中的澄清滤液倒入 100 mL 烧杯中，边加热边慢慢滴加9 mol?L-1 H2SO4溶液（1:1 H2SO4）至沉淀全部溶解。

注意：滴加硫酸溶液，会产生白色沉淀，继续加热和滴加硫酸溶液，白色沉淀先增加，然后逐渐减少至全部溶解，溶液无色透明。为什么

5．将步骤 4 之澄清溶液（此时溶液中含有Al3+、K+、SO42-、H2O）蒸发浓缩至体积约为30 mL，再自然冷却至室温，若无结晶生成，可用玻棒轻刮器壁，诱导结晶产生；再以冰水浴冷却，以降低温度使明矾结晶完全。

6．减压过滤收集明矾结晶，10mL 1:1的水-酒精混合溶液洗涤晶体两次，抽干，然后用滤纸吸干晶体，称重，计算产率。

（二）明矾产品的定性检测

鉴定产品为硫酸盐、铝盐及钾盐。

取少量产品溶于水，加入 HAc 溶液（6mol?L-1）呈微酸性（pH=6~7），分成三份。

（1）加入几滴 Na3[Co(NO2)6]溶液，若试管中有黄色沉淀，表示有K +存在；

（2）加入几滴铝试剂，摇荡后，放置片刻，再加 NH3·H2O（6mol?L-1）碱化，置于水浴上加热，如沉淀为红色，表示有 Al3+存在。

（3）加BaCl2 1滴，6mol?L-1 HCl 2滴；搅拌，有白色晶形沉淀生成，表示有SO42-存在。（三）明矾的净水

将一定量的明矾投入到略有混浊的水中，观察实验现象，并思考明矾净水的原理。（四）明矾单晶的培养（本实验可课下操作）

图1是溶液的溶解度曲线。要使晶体从溶液中析出，从原理上来说有两种方法。以图1的溶解度曲线的过溶解度曲线为例，为溶解度曲线，在曲线的下方为不饱和区域。若从处于不饱和区域的 A 点状态的溶液出发，要使晶体析出，其中一种方法是采用的过程，即保持浓度一定，降低温度的冷却法；另一种办法是采用

的过程，即保持温度一定，增加浓度的蒸发法。用这样的方法使溶液的状态进入到

线上方区域。一进到这个区域一般就有晶核产生和成长。但有些物质，在一定条件下，虽处于这个区域，溶液中并不析出晶体，成为过饱和溶液。可是过饱和度是有界限的，一旦达到某种界限时，稍加震动就会有新的，较多的晶体析出（在图中，表示过饱和的界限，此曲线称为过溶解度曲线）。在和之间的区域为准稳定区域。要使晶体能较大地成长起来，就应当使溶液处于准稳定区域，让它慢慢地成长，而不使细小的晶体析出。

KAl(SO4)2·12H2O 为正八面体晶形。为获得棱角完整、透明的单晶，应让籽晶（晶种）有足够的时间长大，而晶籽能够成长的前提是溶液的浓度处于适当过饱和的准稳定区。本实验通过将室温下的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。

1．籽晶的生长和选择

根据 KAl(SO4)2·12H2O 的溶解度，称取 10g 明矾，加入适量的水，微热至固体全部溶解，然后自然冷却至室温。然后放在不易振动的地方，烧杯口上架一玻棒，在烧杯口上盖一块滤纸，以免灰尘落下。放置1天，杯底会有小晶体析出，从中挑选出晶型完善的籽晶待用，同时过滤溶液，留待后用。

2．晶体的生长

以缝纫用的涤纶线把籽晶系好，系有晶种的棉线上要涂上凡士林，以防止棉线上出现结晶。剪去余头，缠在玻棒上悬吊在已过滤的饱和溶液中，观察晶体的缓慢生长。数天后，可得到棱角完整齐全、晶莹透明的大块晶体。

晶种一定要悬挂在溶液的中心位置，若离烧杯底部太近，由于有沉底晶体生成，会与晶体长在一起。同样，若离溶液表面太近，或靠近烧杯壁，都会产生同样的结果，使得晶体形状不规则。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。

注意：进行单晶培养时，应将烧杯放置到平稳处，避免烧杯震动。