鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)研究

丁偉+孫安貴

摘要：精心設(shè)計(jì)了鈉與微量硫酸銅溶液發(fā)?；瘜W(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)物研究，通過改變和控制實(shí)驗(yàn)條件等探究證實(shí)了該反應(yīng)產(chǎn)物有紅色固體物質(zhì)銅、黑色氧化銅、磚紅色的氧化亞銅和淡黃色的過氧化鈉等物質(zhì)。

關(guān)鍵詞：鈉；CuSO₄溶液；產(chǎn)物研究；實(shí)驗(yàn)探究；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005-6629（2017）8-0055-05

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問題的提出

高中學(xué)生初學(xué)金屬鈉的性質(zhì)時(shí)，會(huì)聯(lián)想先前學(xué)習(xí)過的金屬活動(dòng)性順序及其相互置換的規(guī)律：鐵比銅活潑，所以鐵從硫酸銅溶液中置換出了紅色的固體銅，則據(jù)此推斷：鈉比鐵更活潑，肯定能將硫酸銅溶液中的銅置換出來。實(shí)際上，該實(shí)驗(yàn)通常是將綠豆粒大小的鈉放人盛有硫酸銅溶液的大燒杯或水槽中，即刻便發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，但是沒有觀察到紅色固體銅析出而是析出了藍(lán)色沉淀。

為什么事實(shí)與學(xué)生的推斷不同呢？鈉不能把硫酸銅中的銅置換出來嗎？

鈉與硫酸銅溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程中會(huì)析出藍(lán)色沉淀，一般認(rèn)為是發(fā)生了如下的化學(xué)反應(yīng)：鈉先和水發(fā)生置換反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣，接著氫氧化鈉和硫酸銅發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成氫氧化銅和硫酸鈉?？此坪?jiǎn)單的一個(gè)問題，但是查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，少量硫酸銅溶液和鈉反應(yīng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)有銅生成。硫酸銅溶液少量，鈉過量時(shí)，對(duì)于是否有銅的生成，文獻(xiàn)研究結(jié)果歸納總結(jié)為兩種觀點(diǎn)：

（1）鈉與過量的硫酸銅溶液反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化銅受熱分解生成氧化銅，氧化銅又被產(chǎn)生的氫氣還原成銅。

（2）足量的鈉直接置換出少量硫酸銅溶液中的銅。

2Na+CuSo₄→Na₂So₄+Cu

鑒于此，本研究設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列的化學(xué)試驗(yàn)，試圖探究如下問題：

（1）少量硫酸銅溶液與鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是什么？

（2）不同濃度硫酸銅溶液與鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物是否有所不同？

（3）少量硫酸銅溶液與鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)中，如果有銅生成，是否還有其他物質(zhì)生成？

2實(shí)驗(yàn)過程

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究不同濃度微量硫酸銅溶液與鈉的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：配制0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、I5%和飽和的CuSO₄溶液各lOOmL備用。

為了控制硫酸銅溶液的微量滴加操作，選擇使用帶針頭的注射器代替滴管來滴加硫酸銅溶液于用培養(yǎng)皿或表面皿盛放的鈉表面（約兩個(gè)綠豆大小，以保證化學(xué)反應(yīng)過程中鈉過量）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，控制在室溫條件下使用冷硫酸銅溶液（4～I(xiàn)O℃）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。普通滴管每滴液體的體積約為0.05mL； SmL注射器的針頭每滴液體的體積約為0.02mL，可以更好地控制溶液的量。由于硫酸銅溶液中的水與鈉的化學(xué)反應(yīng)會(huì)放出大量的熱，盛放鈉的表面皿會(huì)炸裂，出現(xiàn)鈉劇烈燃燒等現(xiàn)象，因此操作者一定要注意CuSO₄溶液滴加的節(jié)奏不宜過快以及單次滴加時(shí)不宜滴加的量過多。也可以將作為反應(yīng)容器的表面皿置于另一稍大一號(hào)的盛有冷水或冰水的表面皿中，進(jìn)行降溫處理，以避免實(shí)驗(yàn)過程反應(yīng)放熱炸裂表面皿和鈉燃燒過于劇烈。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1不同濃度微量CuSO₄溶液與足量鈉的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)1在室溫下，用SmL注射器分別吸取在冰箱里冷卻過的（約4～10℃）0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和飽和的CuSO₄溶液與1小片鈉（約兩個(gè)綠豆大小）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)操作中注意用注射器一滴一滴地慢慢滴加，第二滴必須在第一滴反應(yīng)過后滴加。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄見表1。

2.2.2微量CuSO₄溶液與足量鈉的反應(yīng)產(chǎn)物的檢驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2由于銅不與鹽酸發(fā)生反應(yīng)，而可以與濃硝酸反應(yīng)生成紅棕色二氧化氮?dú)怏w。依據(jù)此化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)CuSO₄溶液與足量鈉反應(yīng)的產(chǎn)物。取實(shí)驗(yàn)1中生成物加入過量2mol/L稀鹽酸后攪拌（由于固體粘著在表面皿），觀察現(xiàn)象。再加入過量濃HNO₃，觀察現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄見表2。

實(shí)驗(yàn)3收集實(shí)驗(yàn)l中生成物加入過量的6mol/L的氨水。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄見表2。

2.2.3 CUSO₄晶體與熔融鈉的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)4取一小片鈉（兩個(gè)綠豆大小）置于坩堝中，用酒精燈加熱至熔融狀態(tài)，再撒入約一粒黃豆大小的硫酸銅晶體覆蓋在鈉表面上，反應(yīng)結(jié)束后，觀察到有明顯的紫紅色物質(zhì)（銅Cu）生成。由于銅不與鹽酸發(fā)生反應(yīng)，而可以與濃硝酸反應(yīng)生成紅棕色二氧化氮?dú)怏w。依據(jù)此化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)CuSO₄晶體與熔融鈉反應(yīng)的產(chǎn)物，觀察到加入過量2mol/L稀鹽酸后攪拌不溶解，后加入過量濃HNo₃立刻溶解，有大量紅棕色氣泡產(chǎn)生。

2.2.4熔融鈉與氧化銅粉末的反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)5取一小片鈉（兩個(gè)綠豆大?。┲糜谯釄逯校镁凭珶艏訜嶂寥廴跔顟B(tài)，再撒入約一粒黃豆大小的氧化銅粉末覆蓋在鈉表面上，反應(yīng)結(jié)束后，觀察到有明顯的紫紅色物質(zhì)（銅Cu）生成。由于銅不與鹽酸發(fā)生反應(yīng)，而可以與濃硝酸反應(yīng)生成紅棕色二氧化氮?dú)怏w。依據(jù)此化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)熔融鈉與氧化銅粉末反應(yīng)的產(chǎn)物，觀察到加入過量2mol/L稀鹽酸后攪拌反應(yīng)產(chǎn)物不溶解，后加入過量濃HNo₃立刻溶解，有大量紅棕色氣泡產(chǎn)生。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1記錄可知：實(shí)驗(yàn)1中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和飽和的CuSO₄溶液分別與鈉反應(yīng)時(shí)，隨著CuSO₄溶液濃度的增加，反應(yīng)劇烈程度也是呈遞增狀態(tài)，且由于濃度的不同，對(duì)應(yīng)的生成物顏色也略有差異。endprint

從表2記錄可知：實(shí)驗(yàn)2中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和飽和的CuSO₄溶液分別與鈉反應(yīng)時(shí)，除0.125%和0.25%對(duì)應(yīng)產(chǎn)物加入2mol/L的HCl溶液后固體物全部溶解外，余下不同濃度的CuSO₄溶液對(duì)應(yīng)產(chǎn)物加入2mol/L的HC1溶液后固體物部分溶解。接著在不溶物中加入濃HNO₃溶液后，剩余固體物全部溶解，且均有氣泡產(chǎn)生，反應(yīng)后溶液呈淺黃色。由于銅不與鹽酸發(fā)生反應(yīng)，而可以與濃硝酸反應(yīng)生成紅棕色二氧化氮?dú)怏w。依據(jù)此化學(xué)性質(zhì)檢驗(yàn)少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和飽和的CuSO₄溶液分別與鈉反應(yīng)的產(chǎn)物，除0.125%和0.250/。外，余下不同濃度的CuSO₄溶液與鈉反應(yīng)時(shí)，都有銅（Cu）的生成，而且隨著硫酸銅濃度的增加，生成銅的量呈遞增趨勢(shì)。同時(shí)，隨著硫酸銅濃度的增加，生成物從CuSo₄溶液在10%以后開始出現(xiàn)黑色物質(zhì)，且隨濃度的增加而增加。

實(shí)驗(yàn)3中，對(duì)實(shí)驗(yàn)1中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和飽和的CuSO₄溶液分別與鈉反應(yīng)時(shí)，生成物加入6mol/L的NH₃·H₂o后，除0.125%和0.25%對(duì)應(yīng)產(chǎn)物加入6mol/L的NH₃·H₂o溶液后固體物全部溶解外，余下不同濃度的CuSO₄溶液對(duì)應(yīng)產(chǎn)物加入6mol/L的NH₃·H₂O溶液后固體物部分溶解。這是由于Cu₂O和Cuo發(fā)生如下反應(yīng)：

由此可知，少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和飽和的CuSO₄溶液分別與鈉反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)物中均有磚紅色Cu₂o和黑色Cuo的生成。

3.2分析與討論

3.2.1 CuSO₄溶液與鈉的反應(yīng)中紅褐色產(chǎn)物是什么

實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果顯示CuSO₄溶液與鈉的反應(yīng)產(chǎn)物中有紅棕色固體物質(zhì)析出，分析推斷認(rèn)為該物質(zhì)混有單質(zhì)銅（Cu）、氧化亞銅（Cu₂O）和過氧化鈉（Na₂o₂）。

（1）紅棕色物質(zhì)銅源白熔融的鈉與硫酸銅發(fā)生了置換反應(yīng)的生成物：

2Na（s）+CuSo₄（S）=Na₂So₄（s）+Cu（s）

為此設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)4進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鈉在熔融狀態(tài)下可以和CuSO₄晶體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成銅。由于實(shí)驗(yàn)中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和飽和的CuSO₄溶液分別與鈉反應(yīng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中可以清楚地發(fā)現(xiàn)第一步鈉都是變成熔融狀態(tài)的銀白色小球，接著進(jìn)行下一步反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)溶液的用量都是一滴一滴地滴加，控制了CuSO₄溶液的量為極少量，鈉先與CuSO₄溶液中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被消耗掉，該反應(yīng)放出大量的熱，使得鈉呈現(xiàn)熔融狀態(tài)，熔融的鈉與已經(jīng)無水狀態(tài)下的CuSO₄晶體發(fā)生了置換反應(yīng)。查閱熱力學(xué)數(shù)據(jù)可知，熔融的鈉與無水狀態(tài)下的CuSo₄晶體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的自由能△_rC⁰=-604.93kj/mol，為負(fù)值，該化學(xué)反應(yīng)為白發(fā)反應(yīng)。

（2）紅棕色物質(zhì)銅源白反應(yīng)體系中鈉和氫氣還原氧化銅的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，理論分析認(rèn)為：

由于鈉可以與水生成氫氧化鈉，而后與硫酸銅反應(yīng)生成氫氧化銅，接著氫氧化銅分解生成氧化銅，反應(yīng)剩余的鈉以及鈉與硫酸銅溶液中的水發(fā)生反應(yīng)生成的氫氣都會(huì)還原氧化銅而生成紅棕色的單質(zhì)銅（Cu）。

為此設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)5進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鈉在熔融狀態(tài)下可以和CuO發(fā)生反應(yīng)生成銅。查閱相關(guān)文獻(xiàn)得，氫氧化銅在室溫下就能緩慢分解生成氧化銅，且溫度越高，分解速度越快，分解越徹底。

（3）對(duì)于反應(yīng)中為什么會(huì)有氧化亞銅的生成，是由于一小片鈉在化學(xué)反應(yīng)過程中逐漸變小，最后開始劇烈燃燒，導(dǎo)致生成的部分單質(zhì)銅表面在高熱狀態(tài)下與空氣中的氧氣接觸被氧化成了磚紅色的氧化亞銅：

（4）對(duì)于過氧化鈉的生成，反應(yīng)中析出的淡黃色物質(zhì)就是最好的證明。實(shí)驗(yàn)中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和飽和的CuSO₄溶液分別與鈉反應(yīng)時(shí)劇烈放熱，一小片鈉變成熔融狀態(tài)的銀白色小球與空氣中氧氣接觸發(fā)生了氧化還原反應(yīng)：

2Na+O₂→Na₂O₂

3.2.2 CuSO₄溶液與鈉的反應(yīng)中黑色產(chǎn)物是什么

實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果顯示CuSO₄溶液與鈉的反應(yīng)產(chǎn)物中的黑色物質(zhì)一部分溶于HCl溶液，因此認(rèn)為黑色物質(zhì)為單質(zhì)銅（Cu）和氧化銅（CuO）。

（1）對(duì)于10%、15%和飽和CuSO₄溶液與鈉反應(yīng)的生成物中加入2mol/L的HC1不溶解，而加入濃HNO₃全部溶解的黑色物質(zhì)，筆者認(rèn)為是黑色的銅。查閱文獻(xiàn)得：在粉末狀態(tài)時(shí)，一般金屬都呈暗灰色或黑色.這是因?yàn)樵诜勰顟B(tài)時(shí)，品格排列不規(guī)則，把可見光吸收后輻射不出去，所以為黑色?？傊?，銅的顏色無論紫紅色還是黑色，都與其形態(tài)有直接的關(guān)系。

（2）探討CuSO₄溶液與鈉的反應(yīng)產(chǎn)物中為什么有黑色物質(zhì)氧化銅的生成，分析認(rèn)為一方面是由于CuSO₄溶液與鈉的反應(yīng)生成了氫氧化銅，氫氧化銅同時(shí)被該反應(yīng)放出的大量熱分解成氧化銅；另一方面晶體CuSO₄與熔融鈉的反應(yīng)生成的單質(zhì)銅，在該反應(yīng)放出的大量熱和火光等條件下被空氣中的氧氣所氧化，即一小片鈉在反應(yīng)過程中逐漸變小，最后開始劇烈燃燒，導(dǎo)致生成的單質(zhì)銅一部分被氧化變成了黑色的氧化銅：

Cu（OH）₂→CuO+H₂o

2Cu+O₂→2CuO

4實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)操作控制滴人微量冷的（約4～lOC） CuSO₄溶液于足量金屬鈉（兩個(gè)綠豆大?。┍砻嫔系姆绞剑骄坎z驗(yàn)不同濃度CuSO₄溶液與鈉的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和產(chǎn)物性質(zhì)檢驗(yàn)表明，不同濃度CuSO₄溶液與鈉的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物中都有紅棕色固體物質(zhì)銅析出。

當(dāng)CuSO₄溶液濃度大于0.5%時(shí)能夠觀察到有明顯的紅色固體物質(zhì)單質(zhì)銅（Cu）的析出。隨著CuSO₄溶液濃度的增加，生成紅色固體物質(zhì)單質(zhì)銅的量呈速增趨勢(shì)。當(dāng)CuSO₄溶液濃度大于10%以后時(shí)該反應(yīng)產(chǎn)物中可以觀察到明顯的黑色物質(zhì)氧化銅。分析認(rèn)為，鈉先與微量硫酸銅溶液中的水發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，該過程中釋放大量熱量甚至發(fā)生劇烈燃燒等條件下，使得CuSO₄與熔融鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了單質(zhì)銅，由于該實(shí)驗(yàn)在敞開體系中有空氣的存在，使該化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物中紅棕色固體物質(zhì)銅、反應(yīng)物中的金屬鈉等分別被空氣中的氧氣氧化為磚紅色的氧化亞銅和黑色的氧化銅以及淡黃色的過氧化鈉等物質(zhì)。另外，產(chǎn)物中的黑色物質(zhì)也可能含有呈現(xiàn)黑色的無定型品型的銅。

本實(shí)驗(yàn)探究了鈉與微量硫酸銅溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，結(jié)合鈉與硫酸銅溶液的化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)探究方案，控制了反應(yīng)物硫酸銅溶液為微量和溫度較低（冷溶液）等實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果，論證分析了鈉與微量硫酸銅溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物。研究思路體現(xiàn)了宏觀辨識(shí)與微觀探析、實(shí)驗(yàn)探究與證據(jù)推理相結(jié)合的化學(xué)核心素養(yǎng)。endprint