簡易熱變色固體的製備


台大化學系普化教學組

第三屆高中生台大化學營

八十八年二月一日

 

一、目的:

以氯化二乙基銨及氯化銅製備具熱變色性之固體並觀察其顏色之變化及熱變色溫度1

二、實驗技能:

學習電磁加熱攪拌器之使用,藥品秤量、結晶及抽氣過濾等技能。

三、原理:

熱變色固體(thermochromic material)是指當溫度改變時,其顏色會隨而變化的物質2。熱變色性可分為兩類:當溫度升高時化合物的顏色逐漸改變者,稱為連續性熱變色;當化合物顏色的改變只發生於某一特定溫度或在一很小的溫度範圍,則稱為不連續性熱變色3。在無機固體中,不連續性熱變色常常涉及固相-固相之間的相轉變;而變色的原因可能是由於在中心金屬四周的配位幾何形狀、配位數或配位子的改變,晶場強度的變化所造成2,3,4

有些銅離子的錯合物具有熱變色性1。例如在本實驗中合成之四氯銅雙二乙基銨鹽, [(CH3CH2)2NH2]2CuCl4,在室溫下此化合物為亮綠色,當溫度稍升高時,會轉變為黃褐色。其熱變色的發生是由於中心金屬四周的配位幾何形狀改變所造成。室溫下此錯合物的結構是由四個氯離子圍繞一個銅離子形成平面四邊形(如圖 1 (a)),有機銨陽離子則位於 [CuCl4]2- 錯離子的外圍;當溫度升高時,由於有機銨陽離子的熱振動,使得 N-H.... Cl 的氫鍵發生改變,這作用力使得原來的平面四邊形結構轉變成扭曲的四面體結構(如圖 1 (b)),而呈現不同的顏色5

四、儀器及材料:

電磁加熱攪拌器及攪拌子、錐形瓶(50 mL4個)、抽氣過濾瓶及赫氏漏斗、試管及軟木塞(2支)、藥杓或玻棒(1支)、滴管(2支)、保麗龍湯杯(冰水浴用)、溫度計、酒精燈、毛細管、火柴

五、藥品:

異丙醇(CH3CHOHCH3)、無水酒精(CH3CH2OH)、無水氯化銅(CuCl2)、氯化二乙基銨((CH3CH2)2NH2Cl

六、實驗步驟:

  1. 秤取0.005 mol之氯化銅,置於50 mL錐形瓶中,再加入 2 mL無水酒精,以玻棒攪拌使固體完全溶解。

註:本實驗所製備之錯合物懼水,所用器皿均應乾燥無水。

  1. 秤取0.01 mol的氯化二乙基銨置於50 mL錐形瓶中,加入6 mL異丙醇後,以電磁加熱攪拌器略微加熱並攪拌使其溶解。

註:Corning廠牌加熱板,加熱溫度設定為low2。切勿加熱過度,致溶劑揮發蒸乾影響產物生成。

  1. 氯化二乙基銨完全溶解後,用滴管將氯化銅溶液逐滴加入,滴加過程中溶液仍置於加熱板上持續加熱攪拌。

  2. 氯化銅溶液滴加完後,再調高加熱溫度,以蒸發過多之溶劑。

1:若為Corning廠牌加熱板,加熱溫度設定為34

2:蒸發產生之有機溶劑蒸氣有害人體,應在排煙櫃進行操作。

  1. 當溶液體積蒸發濃縮至約4 mL,將錐形瓶放於桌面稍微冷卻後,再置於冰水浴中冷卻,觀察是否有結晶性固體產生。若無結晶生成可用玻棒由上而下反覆輕刮器壁,誘導結晶產生;再以冰水浴冷卻,使結晶完全。

  2. 加約 6 mL冰冷之異丙醇於錐形瓶中,用玻棒將固體沉澱打散以清洗之。

註:用一支乾淨的試管裝取異丙醇,置於冰浴中即為冰冷的異丙醇。

  1. 使用抽氣過濾法收集產物,再以3 mL冰冷之異丙醇沖洗錐形瓶中殘餘固體到赫氏漏斗中。

  1. 以鋁箔紙蓋住漏斗口,持續抽氣3分鐘使產物乾燥。

  2. 取少量產物置於濾紙上,用藥匙將其磨細。取一端已封口之毛細管,以開口端沾取少量產物結晶,用紙巾將附於管外的固體擦淨後,將毛細管封口的一端向下,從長玻璃管上方放入,使毛細管在堅硬的桌面上彈震,反覆數次後,產物可緊密填塞於毛細管下端,高度約為2 - 3 mm

  3. 因本實驗產物極易潮解,裝填好試樣的毛細管,應在酒精燈焰下均勻灼燒以封住開口。

  4. 將裝填試樣的毛細管放於100 mL的燒杯水浴中緩緩加熱,觀察樣品顏色變化,記錄其變色的溫度範圍。

  5. 再將樣品置於冰水浴中,觀察顏色變化是否具可逆性。

  6. 若所製得產物不易裝填於毛細管中,可改為取少量產物置於試管中,以軟木塞塞住管口,放在水浴中觀察顏色變化。

  7. 本實驗廢棄物含有重金屬及有機物,請倒入於回收桶中。

七、參考文獻:

  1. Van Oort, M. J. M. J. Chem. Educ. 1988, 65, 84.

  2. Bloomquist, D. R.; Willett, R. D. Coord. Chem. Rev. 1982, 47, 125.

  3. Day, J. H. Chem. Rev. 1968, 68, 649.

  4. Zumdahl, S. S. Chemical Principles; 2nd ed., D. C. Heath: Massachusetts, 1995.

  5. Willett, R. D.; Haugen, J. A.; Lebsack, J.; Morrey, J. Inorganic Chemistry, 1974, 13, 2510.

 

八、實驗數據與結果

氯化二乙基銨重:                        

氯化銅重:                                    

產物顏色:                                    

受熱顏色變化:                            

熱變色溫度範圍:                        

 

二、問題與討論:

  1. 氯化二乙基銨和氯化銅反應的化學計量比例應為何?試寫出其反應平衡方程式。

  2. 試討論造成錯合物顏色改變的原因。

 

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