高氯酸銅的制備研究

楊吉明 陳蕾

摘 要 銅鹽在煙花的制作配方中起到藍(lán)色發(fā)光劑的作用，銅鹽的選擇直接影響藍(lán)色光的效果。本文選取高氯酸銅為研究對(duì)象，根據(jù)高氯酸銅的性質(zhì)，對(duì)高氯酸銅的制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，為高氯酸銅在煙火配方中的藍(lán)色效果研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 高氯酸 堿式碳酸銅 制備 高氯酸銅 藍(lán)色發(fā)光劑

中圖分類(lèi)號(hào)：O655 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.03.017

Preparation of Copper Perchlorate

YANG Jiming， CHEN Lei

（Department of Fireworks Engineering， Hu'nan Vocational Institute

of Safety Technology， Changsha， Hu'nan 410151）

Abstract Copper plays in fireworks production recipe blue light-emitting agent role， copper choices directly affect the effect of blue light. Copper perchlorate paper selected for the study， according to the nature of copper perchlorate， for the preparation of the experimental study of copper perchlorate， and lay the foundation for the study of the effect of the blue copper perchlorate pyrotechnic formulations.

Key words perchloric acid; basic copper carbonate; preparation; copper perchlorate; blue light-emitting agent

0 引言

煙花之所以能綻放出五顏六色的絢爛色彩，是因?yàn)椴煌陌l(fā)光劑在起作用。發(fā)光劑屬于煙火劑的一種。煙火劑的種類(lèi)很多，按其作用可分為九種：一是有色發(fā)光劑（紅光劑、綠光劑、藍(lán)光劑、黃光劑、白光劑），二是嘯聲劑，三是煙霧劑，四是鈍感劑，五是引燃劑，六是爆炸音響劑，七是穗花，八是延期藥，九是照明閃光劑。煙火劑是一種具有燃燒和爆炸性質(zhì)的藥物，其熱感度和機(jī)械感度都很高。對(duì)生產(chǎn)煙花爆竹的企業(yè)來(lái)講，絕大多數(shù)都是帶有藥物工序，都具有危險(xiǎn)性，而煙火劑的制配工序又是更為危險(xiǎn)。煙火劑是機(jī)械混合物，其組分主要是安全氧化劑、可燃物、粘合劑。

本文主要講述的是煙花的發(fā)光劑。這些發(fā)光劑主要是無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，一般鈉鹽作黃色發(fā)光劑、鍶鹽作紅色發(fā)光劑、鋇鹽作綠色發(fā)光劑、銅鹽作藍(lán)色發(fā)光劑等。煙火配方中用到的銅鹽主要有巴黎綠、堿式碳酸銅、碳酸銅、無(wú)水硫酸銅、氧化銅等。因此我們就試用高氯酸銅，既作氧化劑又作藍(lán)色發(fā)光劑，在煙火配方中發(fā)揮作用。

1 高氯酸銅的基本性質(zhì)

高氯酸銅又稱過(guò)氯酸銅，分子式為Cu（ClO4）2，分子量262.45，淺綠色單斜系晶體，易潮解。易溶于水，溶于乙醇和乙醚，不溶于丙酮，120℃分解。相對(duì)密度2.225，熔點(diǎn)82.3℃，在空氣中穩(wěn)定。

一般市售的高氯酸銅為高氯酸銅（II）六水合物，而在煙火配方中對(duì)水分含量有較高的要求，因此含有結(jié)晶水的高氯酸銅不能直接用于煙花的制作，我們需要制備不含結(jié)晶水的高氯酸銅。又因高氯酸銅很容易吸水潮解，所以為防止其潮解，自制出的高氯酸銅應(yīng)放入恒溫干燥箱中保存，或現(xiàn)制現(xiàn)用。

2 高氯酸銅的特性及用途

高氯酸銅屬于氧化劑的一種，大約每一百毫升的水就能溶解146g/30度。在常規(guī)情況下高氯酸銅可與還原劑、可燃物混合造成燃燒爆炸的現(xiàn)象。而且高氯酸銅是一種助燃的物體，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)這種物體可釋放有毒含銅和氯化物辛辣刺激味的煙霧，對(duì)人體健康會(huì)造成威脅。

在日常生活中，人們?cè)趦?chǔ)存運(yùn)輸高氯酸銅時(shí)要注意保持庫(kù)房的低溫、通風(fēng)、干燥的常態(tài)。并且要注意與食品原料分開(kāi)存放，與還原劑和有機(jī)物分開(kāi)存放，以免發(fā)生火災(zāi)。

3 高氯酸銅的制備

3.1 制備原理

Cu2（OH）2CO3·H2O + 4HClO4 ═ 2Cu（ClO4）2·6H2O + H2O + CO2↑

3.2 試劑與儀器

試劑：HClO4（A.R），CuCO3·Cu（OH）2·H2O

儀器：燒杯、玻璃棒、電爐、圓底燒瓶、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、砂芯漏斗、蒸發(fā)皿、研缽。

3.3 制造步驟

3.3.1 合成

稱取10g HClO4于100mL的小燒杯中，用藥匙取CuCO3·Cu（OH）2·H2O藍(lán)色粉末緩慢加入到燒杯中，邊加入邊不斷攪拌，見(jiàn)圖1。有大量的氣泡產(chǎn)生，為提高反應(yīng)速率，可適當(dāng)給溶液加熱。理論上10g HClO4需要6g CuCO3·Cu（OH）2·H2O恰好反應(yīng)完全，為了使得HClO4能夠完全反應(yīng)，故CuCO3·Cu （OH）2·H2O應(yīng)稍微過(guò)量。如溶液太稠無(wú)法充分?jǐn)嚢?，可在反?yīng)過(guò)程中向燒杯中加入少量蒸餾水，使兩者能夠充分混合并反應(yīng)。反應(yīng)完全后，得到澄清的藍(lán)色Cu（ClO4）2溶液，見(jiàn)圖2。

3.3.2 蒸發(fā)

將澄清的藍(lán)色Cu（ClO4）2溶液轉(zhuǎn)移到250mL圓底燒瓶中，見(jiàn)圖3。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上將溶液中的水分蒸發(fā)出來(lái)。調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的水浴鍋的溫度為75℃，用真空泵進(jìn)行抽真空蒸發(fā)，見(jiàn)圖4。

3.3.3 結(jié)晶

當(dāng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的冷凝管上無(wú)水滴滴下時(shí)，停止操作，將圓底燒瓶取下，將燒瓶中的藍(lán)色溶液倒入蒸發(fā)皿中，見(jiàn)圖5。把蒸發(fā)皿放入干燥箱中，在70℃下進(jìn)行干燥結(jié)晶，見(jiàn)圖6。

3.3.4 去結(jié)晶水

待大部分Cu（ClO4）2·6H2O晶體析出，見(jiàn)圖7，將晶體用砂芯漏斗進(jìn)行過(guò)濾，濾去未結(jié)晶的溶液，并用少量蒸餾水洗滌Cu（ClO4）2·6H2O晶體，將晶體抽干轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中，繼續(xù)在干燥箱中進(jìn)行干燥，將Cu（ClO4）2·6H2O晶體表面以及結(jié)晶水蒸發(fā)掉。將干燥好的Cu（ClO4）2晶體用研缽進(jìn)行研磨粉碎，見(jiàn)圖8，放入干燥箱待用。

4 高氯酸銅的其它制備方法

除了以上的方法外，再向大家介紹一種以硫酸銅制備高氯酸銅的方法。

4.1 試驗(yàn)原理

2CuSO4 + 2Na2CO3 + H2O --→ Cu2（OH）2CO3 + CO2 + 2Na2SO4

Cu2（OH）2CO3 + 4HClO4 --→ 2Cu（ClO4）2· 6H2O + CO2

4.2 試驗(yàn)步驟

（1）稱取7.0 g CuSO4·5H2O 和 8.0 g Na2CO3·10H2O ，用研缽分別研細(xì)，然后混合研磨，迅速投入100 ml 沸水中，快速攪拌并撤離電爐。溶液變?yōu)樗{(lán)棕色，靜置后燒杯底部出現(xiàn)棕色細(xì)致沉淀，洗滌沉淀，直到用HCl-BaCl2 檢測(cè)不到硫酸根離子。

（2）向洗滌干凈的堿式碳酸銅滴加HClO4并小心攪拌（經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堿式碳酸銅與高氯酸反應(yīng)較緩慢，高氯酸極易過(guò)量，適度加熱可以提高高氯酸反應(yīng)的程度，不致使酸過(guò)量）。用砂芯漏斗反復(fù)過(guò)濾，除去少量不溶物，得到藍(lán)色高氯酸銅溶液。在通風(fēng)櫥中加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生大量白霧，證明含有過(guò)量HClO4 （在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)了操作，白霧產(chǎn)生很少）。

（3）繼續(xù)加熱蒸發(fā)，至出現(xiàn)晶膜為止，自然冷卻，溶液迅速變成固體，堅(jiān)硬粘連在蒸發(fā)皿底部，再用少量蒸餾水溶解，重新蒸發(fā)，保留較多水分，得到濕潤(rùn)藍(lán)色晶體，置于烘箱60℃加熱兩小時(shí)，得Cu（ClO4）2·6H2O 晶體。

（4）稱重得8.39 g。

（5）理論產(chǎn)量9.27 g，產(chǎn)率90.5%。

5 小結(jié)

通過(guò)上述方法制備的高氯酸銅中含有少量的堿式碳酸銅，但是不影響煙火實(shí)驗(yàn)的效果。但是由于高氯酸銅的吸水性太強(qiáng)，易潮解。無(wú)法常態(tài)保存，必須制備好就盡快用。

基金：湖南省教育廳、財(cái)政廳立項(xiàng)，由楊吉明主持的湖南省高校科研項(xiàng)目課題《高氯酸銅在煙火藥劑中的應(yīng)用研究》（項(xiàng)目編號(hào)：12C0984）階段性研究成果

參考文獻(xiàn)

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[2] 勞允亮，黃浩川.起爆藥學(xué)（第1版）.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

[3] 《化學(xué)工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).化學(xué)工程手冊(cè)（第1版）北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.