การทดลองที่ 6 ปฏิกิริยาของทองแดงและสารประกอบของทองแดง


ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ
ปรับปรุงล่าสุด: 23 พฤษภาคม 2563
[Lab Menu]

วัตถุประสงค์

  1. เพื่อฝึกทักษะการทำปฏิกิริยาเคมีของสารประกอบทองแดง
  2. เพื่อฝึกทักษะการหาปริมาณสัมพันธ์เคมีตามหลักกฎอนุรักษ์มวล

หลักการ

จากกฎอนุรักษ์มวลของสสาร (law of mass conservation) ซึ่งกล่าวว่า “มวลของสารก่อนทำปฏิกิริยาจะเท่ากับมวลของสารหลังทำปฏิกิริยา” ดังนั้น ถ้าเริ่มต้นด้วยการนำโลหะทองแดงจำนวนหนึ่งมาทำปฏิกิริยากับสารเคมีให้ได้เป็นสารประกอบต่าง ๆ ของทองแดงและจากสารประกอบก็ทำกลับมาให้อยู่ในรูปของโลหะทองแดงอย่างเดิม โลหะทองแดงที่ได้กลับมานั้นก็ควรจะมีน้ำหนักเท่ากับโลหะทองแดงเริ่มต้น ในทางปฏิบัติบางครั้งน้ำหนักของโลหะทองแดงที่ได้กลับคืนมากหรือน้อยกว่าความเป็นจริงทั้งนี้เพราะบางส่วนหายไปตามขั้นตอนต่าง ๆ หรืออาจมีสารอื่นปะปนมากับทองแดงด้วยก็ได้ ทำให้น้ำหนักทองแดงมากกว่าความเป็นจริง การที่จะได้โลหะทองกลับมาได้ทั้งหมดโดยไม่มีสารอื่นปะปนมา ก็ต้องอาศัยเทคนิคที่ถูกต้องในการทดลอง ซึ่งได้แก่ การละลายตะกอน การตกตะกอน การกรอง การล้างตะกอน การรินสารละลายใสออกจากตะกอน การระเหยน้ำออกจากตะกอน

ในบางครั้งอาจจะแบ่งชนิดของปฏิกิริยาเคมีออกได้ตามลักษณะของการเปลี่ยนตำแหน่งของอะตอมของธาตุในปฏิกิริยา ซึ่งสามารถแบ่งออกได้ดังนี้

  1. ปฏิกิริยาการรวมตัวอย่างง่าย (simple combination) เช่น NH3(aq) + HCl(aq) → NH4Cl(aq)
  2. ปฏิกิริยาการสลายตัวอย่างง่าย (simple decomposition) เช่น 2KClO3(aq) → 2KCl(aq) + 3O2(g)
  3. ปฏิกิริยาแทนที่อย่างง่าย (simple replacement) เช่น Mg(s) + H2O(l) →  MgO(s) + H2(g)
  4. ปฏิกิริยาการสลายตัวสองต่อ (double decomposition) หรือปฏิกิริยาการแทนที่สองต่อ (double replacement) เช่น NaCl(aq) + AgNO3(aq) → AgCl(s) + NaNO3(aq)

ในการทดลองนี้ ลำดับขั้นตอนของการทำปฏิกิริยาของทองแดงเป็นดังต่อไปนี้

ขั้นที่ 1 เปลี่ยนโลหะทองแดงให้เป็นทองแดง(II) ไนเตรต
โลหะทองแดง (Cu) เมื่อละลายด้วยสารละลาย HNO3 จะได้สารละลายสีเขียวของ Cu(NO3)2  และเมื่อมีน้ำจะได้สารละลายสีฟ้าของสารเชิงซ้อนทองแดงที่มีน้ำแทนที่ ดังปฏิกิริยา
Cu(s) + 4HNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + 2NO2(g) + 2H2O(aq)
Cu(NO3)2(aq) + nH2O(aq) → [Cu(H2O)n]2+(aq) + 2NO3-(aq)
                                                       สารละลายสีฟ้า

ขั้นที่ 2 เปลี่ยนเป็นทองแดง(II) ไฮดรอกไซด์
สารเชิงซ้อนทองแดงที่มีน้ำล้อมรอบ (hydrate) เมื่อมีสภาวะเป็นเบสจะเกิดเป็นตะกอนสีฟ้าของ Cu(OH)2
Cu(NO3)2(aq) + 2NaOH(aq) → Cu(OH)2(s) + 2NaNO3(aq)
                                                          ตะกอนสีฟ้า

ขั้นที่ 3 เปลี่ยนทองแดง(II) ไฮดรอกไซด์ให้เป็นทองแดง(II) ออกไซด์
เมื่อให้ความร้อนตะกอน Cu(OH)2 ตะกอนเปลี่ยนจากสีฟ้าเป็นสีดำของ CuO
Cu(OH)2(s)  →  CuO(s)  +  H2O(aq)

ขั้นที่ 4 เปลี่ยนทองแดง(II) ออกไซด์ให้เป็นทองแดง(II) ซัลเฟต
ละลายตะกอน CuO ด้วยกรดซัลฟิวริก จะได้เป็นสารละลายสีฟ้าของ CuSO4
CuO(s) + H2SO4(aq)  → CuSO4(aq) + H2O(aq)

ขั้นที่ 5 เปลี่ยนทองแดง(II) ซัลเฟตให้เป็นโลหะทองแดง
ผงสังกะสีสามารถรีดิวซ์ CuSO4 ให้กลายเป็นโลหะทองแดง (Cu)
CuSO4(aq) + Zn(s)  → Cu(s) + ZnSO4(aq)

อุปกรณ์และสารเคมี

อุปกรณ์

  1. บีกเกอร์ 250 mL
  2. กระบอกตวง 25 mL
  3. กรวยกรอง
  4. ถ้วยระเหย
  5. กระดาษลิตมัส

สารเคมี

  1. โลหะทองแดง
  2. กรดไนตริก (conc. HNO3)
  3. โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH 6 mol/L)
  4. กรดซัลฟิวริก (H2SO4 1 mol/L และ 3 mol/L)
  5. ผงสังกะสี

วิธีการทดลอง

ขั้นที่ 1 เปลี่ยนโลหะทองแดงให้เป็นทองแดง(II) ไนเตรต (Cu(NO3)2)
1) ชั่งโลหะทองแดงที่ตัดเป็นชิ้นเล็ก ๆ ประมาณ 0.20xx-0.30xx กรัม (ด้วยเครื่องชั่งละเอียด) บันทึกน้ำหนักที่แน่นอน ใส่โลหะทองแดงลงในบีกเกอร์ ขนาด 250 mL
2) เติมกรดไนตริกเข้มข้นลงไป 5 mL (ทำในตู้ดูดควัน เนื่องจากจะเกิด NO2 ซึ่งมีสีน้ำตาลและเป็นพิษ) ตั้งไว้จนโลหะทองแดงละลายหมด จะได้สารละลาย สีเขียวของ Cu(NO3)2
3) เติมน้ำกลั่น 50 mL จะได้สารละลายสีฟ้าของสารเชิงซ้อน [Cu(H2O)n]2+ นำออกจากตู้ควัน

ขั้นที่ 2 เปลี่ยนทองแดง(II) ไนเตรตให้เป็นทองแดง(II) ไฮดรอกไซด์
4) เติมสารละลาย NaOH 6 mol/L ปริมาตร 15 mL อย่างช้า ๆ คนสารละลายตลอดเวลา จะได้ตะกอนสีฟ้าของ Cu(OH)2

ขั้นที่ 3 เปลี่ยนทองแดง(II) ไฮดรอกไซด์ให้เป็นทองแดง(II) ออกไซด์
5) เติมน้ำกลั่น 50 mL แล้วนำไปให้ความร้อนด้วยเตาไฟฟ้า จนตะกอนเปลี่ยนจากสีฟ้าเป็นสีดำของ CuO จนหมด
6) กรองตะกอนสีดำออกจากสารละลายขณะร้อนโดยใช้กรวยกรอง

ขั้นที่ 4 เปลี่ยนทองแดง(II) ออกไซด์ให้เป็นทองแดง(II) ซัลเฟต
7) คีบกระดาษกรองที่มีตะกอนติดอยู่ใส่ลงในบีกเกอร์ขนาด 250 mL
8) เติม H2SO4 1 mol/L ปริมาตร 25 mL ค่อยๆ เอียงบีกเกอร์ให้ H2SO4 สัมผัสกับตะกอน CuO จนกระทั่งตะกอนสีดำละลายเป็นสารละลายสีฟ้าจนหมด คีบกระดาษกรองขึ้นมาเหนือสารละลาย ใช้น้ำกลั่นฉีดกระดาษกรองเล็กน้อย (กระดาษกรองทิ้งถังขยะ)

ขั้นที่ 5 เปลี่ยนทองแดง(II) ซัลเฟตให้เป็นโลหะทองแดง
9) เติมผงสังกะสีทีละน้อย ๆ ลงในสารละลาย (ครั้งละประมาณหัวไม่ขีดไฟ) ใช้แท่งแก้วคนสารละลายตลอดเวลา ทำซ้ำ ๆ จนสารละลายสีฟ้าเป็นสารละลายใสไม่มีสี แสดงว่า CuSO4 เปลี่ยนเป็นโลหะทองแดงเกือบหมดแล้ว (การเติมผงสังกะสีแต่ละครั้งต้องดูว่าในบีกเกอร์มีผงสังกะสีที่เติมไปครั้งก่อนเหลืออยู่หรือไม่)
10) เติมสารละลาย H2SO4 3 mol/L ปริมาตร 5 mL เพื่อละลายผงสังกะสีที่เติมมากเกินไป แต่ถ้ายังมีผงสังกะสีเหลือีกให้เติม H2SO4 3 mol/L เพิ่มอีก 5 mL
11) เติมน้ำกลั่นลงไปอีกประมาณ 10 mL แล้วค่อยๆ รินสารละลายใสทิ้งไป ให้เหลือแต่ตะกอนทองแดง
12) ถ่ายตะกอนลงในถ้วยกระเบื้อง (evaporating dish) ใช้น้ำกลั่นฉีดล้างตะกอนในบีกเกอร์ให้ลงไปรวมกันในถ้วยกระเบื้องจนหมด รินสารละลายใสออกจนเหลือแต่ตะกอน
13) นำไปตั้งบนไฟอ่อน (อย่าใช้ไฟแรง) ไล่น้ำออกจนเหลือน้ำน้อยมาก รีบยกออกมาตั้งไว้ให้เย็น น้ำจะระเหยออกจนแห้งพอดี จากนั้นนำไปชั่งหาน้ำหนักของทองแดงที่กลับคืนมาแล้วบันทึกผลการทดลอง