[화학공학실험]황산구리의 제조 1부

실험 목적

구리로부터 황산구리(5수화물)를 제조한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 황산구리 제법

동 부스러기나 동판을 압연할때의 부스러기와 H2SO4를 작용시킨다. 이때의 소량의 HNO3를 가하면 동은 먼저 HNO3 가 녹고 그것이 H2SO4와반응해서 CuSO4로 된다. 여액을 농축해서 냉각한 후 결정을 만들고 건조한다.

 

2. 황산구리 용도

농약(보르도액)*, 인견(동암모니아법), 도금, 안료(푸타로 샤이아닝), 방직용품이나 목재의 방부, 전지(다니엘전지), 요업(글래스 등의 착색), 살균(푸울) 기타 동화합물의 제조에 사용된다.

 

* 보르도액 : 농업용 살균제의 한가지. 황산구리와 산화칼슘(생석회)을 물에 녹여서 만 푸른 녹색의 약품이다. 포도의 노균병을 비롯하여 배합 비율을 바꿈에 따 라 여러가지 채소의 탄저병에 이용된다.

 

황산구리는 구리의 황산염으로 구리의 산화수 I과 Ⅱ의 화합물이 있다. 즉, 1가의 황산구리(Ⅰ) 및 2가의 황산구리(Ⅱ)가 있다. 또 황산구리는 무수물 또는 5수화물로 존재한다.

 

1) 황산구리(Ⅰ)(황산제일구리)

화학식 Cu2SO4. 무색 또는 회색의 결정성 고체로(분말), 산화구리(Ⅰ)와 황산디메틸의 반응으로 합성된다. 수용액에서는 물과 작용하면 곧 가수분해되어 구리․황산구리(Ⅱ)․산화구리(Ⅱ)가 생성된다. 구리를 200℃로 가열한 진한 황산에 녹여, 알코올로 처리하면 얻을 수 있다.

 

2) 황산구리(Ⅱ)(황산제이구리)

화학식 CuSO4. 황산구리무수물이라고도 한다. 흰색 고체. 사방정계. 5수화물 Cu2SO4․5H2O를 190℃로 가열하면 얻어진다. 4개의 O원자가 Cu원자에 평면 4배위하고, 이것과 수직방향으로 2개의 O원자가 배위하고 있다. 650℃로 가열하면 SO3를 잃고 CuO가 된다. 메탄올 100g에 1.04g이 녹으며, 에탄올에는 녹지 않는다. 물을 흡수하여 청색을 띠므로 유기액체 속의 수분 검출과 탈수에 쓰인다.

 

청색의 투명한 결정으로 비중 2.286이다. 건조한 공기 중에서 서서히 풍해(風解)한다. 가열하면 45℃에서 2분자의 물, 110℃에서 4분자의 물, 다시 250℃에서 모든 물분자를 잃고 무색의 무수물이 된다. 100g의 물에 0℃에서 24.3g, 100℃에서 205g 녹는다. 글리세롤․메탄올 등에도 녹는다.

 

3) 황산구리(Ⅱ)3수화물

화학식 CuSO4·3HO. 3개의 HO 분자의 O와 1개의 SO4의 O가 평면으로 4배위하고, 이것과 수직방향으로 SO4의 O원자 2개가 각각 배위하고 있다. 이 배위 다면체는 수소결합으로 이어져 있다.

 

4) 황산구리(Ⅱ)5수화물

화학식 CuSO4·5HO. 황산구리(Ⅱ) 수용액을 결정화하여 만든다. 푸른색 삼사정계 결정이다. Cu에는 4분자의 HO가 평면상에, 그것과 수직방향으로 2개의 SO4가 각각 O에 의해 배위되어 있다. 5번째의 HO는 Cu에 배위한 HO의 OH 및 SO4의 O와 4개의 수소결합을 만든다. 

가열했을 때 마지막으로 남는 것은 이 HO이며, SO와의 결합 세기를 나타내는 것으로 생각된다. 즉 Cu와 SO4가 사슬모양으로 연결되고 결정수 수소결합으로 사슬을 연결 하는 것을 볼 수 있다. 비중 2.286, 물100g에 대한 용해도는 14.3g(0℃), 22.8g(25℃), 75.4g(100℃). 메탄올 100g에 대한 용해도는 15.6g(18℃).

 

에탄올에는 녹지 않고 글리세롤에 녹는다. 살균제, 유리 세척제, 목재 부패 방지용으로 쓰인다. 석회유와의 혼합액은 보르도액이라고 하며, 포도의 노균병 예방에 쓰인다. 이것은 Cu의 노균병에 대한 강한 살균력에 의한 것이며, 이 외에도 감자․토마토․바나나 등 많은 작물에 쓰인다.

 

5수화물은 구리에 묽은 황산과 공기를 작용시키거나, 산화구리를 묽은 황산에 용해시켜 증발 ․농축시켜 결정화한다. 황동석(黃銅石)에 공기를 통과시키면서 가열하고 생성되는 황산구리를 물에 녹인 액을 증발 ․농축시키는 방법이나, 구리제련의 전해폐액(電解廢液)을 이용하는 방법도 있다. 전해액이 되는 외에 다른 구리염의 원료, 안료나 보르도액의 원료, 매염제(媒染劑) ․분석시약 등 용도가 매우 많다. 또 무수물은 유기화합물의 건조제로도 사용된다.

 

* 무수물 : 물분자가 모두 빠져나간 상태의 분자를 말한다.

흰색의 가루로 메탄올에는 조금 녹지만 에탄올에는 녹지 않는다.

* 5수화물 : 분자 주변에 물분자가 5개 붙어 있는 상태를 말한다. 구리와 묽은황산, 공기와의 반응 또는 산화구리의 증발 및 농축과정을 통해 얻을 수 있다.

 

3. 황산구리 제조

구리조각에 질산을 반응시켜 질산구리를 만들고 여기에 탄산나트륨을 반응시켜 염기성 탄산구리를 제조한 후 최종적으로 H2SO4를 적용하여 CuSO4·5H2O를 얻는다.

1) 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O (발열반응)

2) 2Cu(NO3)2·H2O + NaCO3·10H2O → CuCO3·Cu(OH)2 (침전반응)

3) CuCO3·Cu(OH)2 + 2H2SO4 → 2CuSO4 + CO2 + 3H2O (중화반응)

 

참고로 5수화물의 황산구리를 가열하여 무수황산구리를 만드는 반응의 전 공정을 표시하면 다음과 같다.

 

CuSO4·5H2O50℃ → CuSO4·4H2O55℃ → CuSO4·3H2O70℃ → CuSO4·H2O192℃ → CuSO4

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 비이커(250㎖) 3개, 유리막대, 가열기 1개, Water bath, 증발접시, 피펫, aspirator

2) 구리조각 5g, Na2CO3·10H2O 50g, 60% HNO3 25㎖, conc-H2SO4 5㎖

	b·p	m·p	ρ	M	화학적 특징
황산 H2SO4	317℃	10.36℃	1.83(18℃)	98	진한황산은 물에대한 증기압이 매우 낮고 흡수성이 있어 건조제나 탈수제로 쓰인다.
질산 HNO3	86℃	-42℃	1.38~1.42	56	금 백금 로듐 인듐 등의 귀금속 이외의 금속과는 격렬하게 반응하여 이것을 녹이나 철 크롬 알루미늄등 부동태를 만들어 침해되지 않는다.
구리	2595℃	1084.5℃	8.92	63.54	적색의 금속광택이 있으며, 질이 연하여 부식 산성에 대해 견디는 힘이있고 다른 금속과 쉽게 융합되는 성질이 있다.

 

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