萃渊薮的意思:怎样制得大而完美的明矾晶体？

二、原理
日常生活中，随处可见被抛弃的饮料罐，除了塑胶制品外，金属罐中以铁、铝制者较多。铝罐若任其自然分解(反应)，约需一百年的时间才能完全分解，是一种不易被分解的废弃物。
铝元素(Al, Aluminum, 原子量=26.9815)约在1825年被科学家发现，直到1886年，才发展出利用电解法大量生产的工业技术。在此之前（如法国的拿破仑时代），铝金属曾经比等重的黄金还要贵，不像现在是“用完就丢”，一点都不觉得该珍惜。
虽然铝是地壳中含量高居第三位的元素(约占地壳的8.2 %，仅次於氧、矽)，世界上每年的年产量超过千万吨，但这并不代表其可以取之不尽，用之不竭。而且在铝的生产、冶炼过程中，由原料铝矾土(bauxite，主要含A12O3)的精炼，电解，到铝的电解精炼(得到99.90 %以上的纯度)，都需要消耗许多原料及资源。其中单是电能方面，每生产一公斤的精炼铝，就需约33度(33kW-hr)的电力;每制造一个铝罐(375 ml容量)，即需约18公克的铝金属。
基於所有天然资源都有取尽用竭的事实，我们有义务将废弃物中，可以再回收、利用的部份，尽力地回收，以免后代子孙无资源可用，并可降低对「地球村」的危害。
铝罐的回收，除了最有经济效益，用於直接生产「再制铝」之外，我们还可以运用化学方法，制成一些有用的产品，明矾(Alum)就是其中之一。
铝是活泼的金属，但与稀酸液的反应缓慢，因其表面会产生一层致密的氧化膜，阻止内部的金属铝缝续反应；强碱性溶液则可溶解这层氧化膜，并进一步与内部的铝反应。过量的碱性溶液与铝片反应，会产生氢气及可溶性的Al(OH)4-胶体，反应式如下：
(1-1)
此溶液刚加入酸时，可以移去一个OH-，产生白绒毛状的氢氧化铝[A1(OH)3]沈淀(在水质净化时，此白绒毛状胶体，可用於吸附杂质，使水变得澄清。)：
(1-2)
若溶液继续加酸，则A1(OH)3可被溶解，形成A13+ (在水溶液中，A13+是以水合铝离子，[A1(H2O)63+] 的八面体形式存在)。
若再将碱液加入含A1(OH)3沈淀的水溶液中，则再产生可溶的Al(OH)4-。像Al(OH)3这样，能分别与酸及碱反应的物质，称为两性物质(amphoteric substances)。其它常见的例子有Sb(OH)3、Zn(OH)2、Sn(OH)4、Ti(OH)4 …等。
明矾(Alum)是一系列离子化合物的统称，其简式可写成MMIII(SO4)2．12H2O，或是(MIII)2(SO4)3．(M)2SO4．24H2O]； 其中M为一价阳离子(如K+，NH4+，Na+)，MIII为三价阳离子(如A13+，Fe3+，Cr3+)。明矾中的12个结晶水，一般认为其中6个H2O分子是与MIII紧密结合，另外6个H2O分子则与M及硫酸根呈较弱(松)的结合状态，在较低温时(约64.5℃)，即可能部分脱水。
明矾的种类很多，用途也很广泛。本实验使用的碱是KOH，酸则为H2SO4，因此M = K，MIII =Al。当条件合适时(最重要的因素是：必须形成过饱和溶液)，可形成无色透明的钾矾结晶(硫酸铝钾，Aluminum Potassium Sulfate，KA1(SO4)2．12H2O)。
结晶体的大小，与其结晶时的操作条件有绝对关系。若是使用冰浴法，快速取得产物时，大都只能获得极细的微晶粒，类似精盐状。若想获致较完整的漂亮大结晶，就需运用再结晶法，在洁净且合适的条件下，缓缓养晶，约隔三至七天，就有机会看到漂亮的钾矾结晶。钾矾是最常见的明矾，主要用於水质净化、染色、造纸及食品添加剂…¨等用途。
这个实验的反应式(依实验顺序)统整如下：
(A).铝片与KOH 溶液反应：
(1-3)
(B).溶液刚加入H2SO4时：
(1-4)
(C).溶液继续加入H2SO4之后：
(1-5)
(D)明矾结晶的形成(冰浴之后：
(1-6)

三、器材

减压过滤装置 1套
剪刀 1支
砂布 1小张
烧 杯 100 ml 2个
烧 杯 500 ml 1个
加热器 1台

四、药品

铝片(由废铝罐剪下) 约0.2 g
KOH 1.5 M 9 ml
H2SO4 9 M 约4 ml
酒精水溶液(1:1 混合液) 5 ml
冰块 约半杯

五、实验步骤：

1. 请自备一个废弃铝罐。(请小心，不要错将铁罐当铝罐！如何区别？)
2. 将铝罐剪开，裁出一片约8 cm (L) X 5 cm (W) 大小的铝片。用砂纸磨去表面的油漆，颜料及透明塑胶内衬(必要时，请戴上棉纱手套保护手部)。
3. 将磨光后的铝片剪成约0.5 cm X 0.5 cm的小片，置於称量纸上，称取约0.2 g的铝片，纪录重量时，应精确纪录至0.001 g。
4. 把剪好，称妥的小铝片放在100 ml的烧杯中，小心加入9 ml的1.5 M KOH溶液(请事先戴上乳胶制安全手套，以资保护)；将烧杯放在加热器上缓缓加热(以温度计测量，约70°C即可，小心控温)，以加速反应进行。由於反应会产生氢气，而氢与空气混合后(约4 ~ 75 %的浓度)，在高温下易爆燃(点火温度585 ℃)，因此需小心操作，且不可有裸火或点火，如此可避免发生危险。
5. 反应进行中，应适时控温，约70°C即可，以免溶液发生突沸，造成烫伤等危害。若溶液由无色变成灰黑色，则可能是因油漆或塑胶未磨除乾净所致，不会影响结果。铝片在反应过程中，可能出现周期性的上升下降的现象，请仔细观察，并思考、探讨可能的成因。
6. 加热约20分钟后，氢气不再产生时，代表反应结束(此时溶液约为原溶液的3/4)。立即用抽气过滤装置，过滤此热溶液。再利用少量(约1~2 m1)的去离子水，分两次润洗烧杯并过滤(应避免使用太多的水，以免无法形成饱和溶液)。收取澄清滤液，舍去残留滤纸上的固体，分别记录两者的颜色。
7. 将澄清滤液(可能呈淡黄色)，倒入另一个100 ml烧杯中，以少量去离子水润洗过滤瓶，并入滤液中。待滤液冷却后，一边搅拌，一边将4 ml的9 M H2SO4溶液，小心、缓慢加入此滤液中，其间应注意观察及记录所发生的变化，并与相关反应方程式互为印证。搅拌至溶液呈澄清状，且无白色固态絮状物残留为止。（必要时可再加热以溶解固态絮状物。）
8. 若要在当天取得结晶物(而非以约一周时间，缓慢地养成明矾大结晶)，则需将装产物的烧杯置於冰浴中(在500 ml烧杯中放入半量冰块，再加入恰好盖满冰块的水)，使溶液发生过饱和，形成明矾结晶并析出。冰浴约20分钟后，结晶大概会完成。
9. 再次利用抽气过滤装置收集产物，应是纯白色的结晶。取5 ml的酒精水溶液，先取一半润洗装滤液的烧杯，润洗液倒入漏斗内，再过滤。另一半用於清洗漏斗内的产物。用玻棒将产物平铺在白瓷漏斗上，持续抽气10分钟。当产物乾燥后，移到表玻璃上，称重并计算粗产率。(过滤之前，表玻璃应先称重，才能得到明矾结晶的重量。)
10. 再结晶：将收集到的明矾产物(应是纯白色的细小结晶，否则需再纯化！)，放入一个以洁净的100 ml烧杯中，依明矾结晶的重量及水温(明矾的溶解度，在20 ℃时约为：11.4 g / 100 ml 水)，估算合适的去离子水量，期使明矾结晶恰可完全溶解，形成接近饱和溶液的情况；切忌加入过多的水量，令隔周之后，仍看不到较完整的漂亮大结晶。

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