金屬鈉與硫酸銅溶液反應產物的實驗探究

摘要：對金屬鈉與硫酸銅溶液的反應產物進行二方面實驗：（1）金屬鈉與不同濃度的硫酸銅溶液反應情況；（2）從反應物加入方式和控制用量上，并針對實驗現象進行討論，從而得出結論。

關鍵詞：鈉；硫酸銅溶液；置換反應；不溶物；實驗探究

文章編號：1005－6629(2008)06－0012－04中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

1 問題的提出

關于金屬鈉與硫酸銅溶液的化學反應有很多探討的文章[1-6]， 歸納起來主要有兩種看法：一是認為鈉先與硫酸銅溶液中的水反應生成氫氧化鈉和氫氣，并放出熱量，然后氫氧化銅與硫酸銅生成藍色氫氧化銅沉淀，即2Na+2H2O=2NaOH+2H2↑，2NaOH+CuSO4 = Cu（OH）2↓+Na2SO4，在反應過程中，氫氧化銅受熱分解生成氧化銅，氧化銅又被產生的氫氣還原生成單質銅，即Cu（OH）2CuO+ H2O，CuO+H2＝Cu+H2O；另一種認為是鈉直接置換出硫酸銅溶液中的銅，即發生了2Na（s）+ CuSO4（s）= Na2SO4（s）+Cu（s）。那么金屬鈉與硫酸銅溶液到底發生了怎樣的反應呢，為了能夠進一步地把握該實驗的反應實質，我們進行了以下的實驗探究。

2 實驗探究思路

首先考慮反應物需要哪些，經過分析思考，需要金屬鈉和不同濃度的硫酸銅溶液，然后從兩方面進行實驗探究： （1）金屬鈉與不同濃度的硫酸銅溶液反應情況探究； （2）從反應物加入方式和控制用量上對兩者反應情況進行探究，并對各實驗中生成的不溶物用1︰1的鹽酸溶液進行溶解，看是否有金屬銅生成，從而探討本實驗的反應實質。

3實驗探究過程

3.1配制不同濃度的硫酸銅溶液

首先配制1%CuSO4溶液、5%CuSO4溶液、10%CuSO4溶液、15%CuSO4溶液和飽和硫酸銅溶液。在配制15%CuSO4溶液和飽和硫酸銅溶液過程中，由于溶質的溶解非常緩慢，所以進行了加熱處理，加速溶解，然后冷卻，備用。配制用量如下表（注：溫度為室溫25℃）：

3.2系列實驗對比探究

（1）硫酸銅液滴（固體）滴在鈉片上的實驗情況

分別用上述各種不同濃度的CuSO4溶液滴加在一小塊金屬鈉片上，將研磨成粉末狀的膽礬或無水硫酸銅粉末分別撒在一小塊金屬鈉片上，進行實驗比較。實驗情況見表1中的序號1。

（2）小鈉塊投入到硫酸銅溶液中的實驗情況

分別用一小塊鈉投入到約10mL不同濃度的 CuSO4溶液中，進行實驗探究比較。實驗情況見表1中的序號2。

（3）對不溶物的處理

將各個實驗中生成不溶于水的物質收集后，用1︰1的鹽酸溶液處理，觀察其溶解情況。

表1 關于金屬鈉與硫酸銅溶液反應的實驗情況

3.3說明

（1）在配制1%CuSO4溶液之后，要盡快使用，因為CuSO4溶液濃度太低時，易發生水解。

（2）在進行少量的CuSO4溶液分別滴加在一小塊鈉片上的實驗時，滴加CuSO4溶液以鈉片完全反應為標準，大概用量在兩到三滴。

（3）在進行一小塊鈉投入到不同濃度的CuSO4溶液的實驗時，每次取的CuSO4溶液為10mL，取鈉稍小于綠豆大為宜。

4實驗探究結論

（1）經過多次反復的實驗可以得出，進行少量的CuSO4溶液分別滴加在一小塊鈉片上的實驗，產物可以得到金屬單質銅，且得到的銅非常少量，并不是所有呈棕紅、灰黑色的反應產物都是銅。而進行鈉塊投入到不同濃度的CuSO4溶液的實驗中和把膽礬粉末和無水硫酸銅粉末撒在鈉片上的實驗時，產物得不到單質銅。

（2）在進行少量的CuSO4溶液分別滴加在一小塊鈉片上的實驗時，我們可以得出，隨著CuSO4溶液濃度增大，反應更劇烈，且產物中藍色糊狀物增多。我們認為該反應有兩種解釋：一種認為是因為CuSO4溶液滴加在鈉片上，一方面因反應熱使CuSO4溶液蒸干，另一方面，幾滴CuSO4溶液所含的水很少，很快與鈉反應完，只剩下沒有完全失去結晶水的硫酸銅固體，便會與剩余的金屬鈉發生固相的置換反應，生成銅。即 2Na（s） + CuSO4（s）= Na2SO4（s）+Cu（s）。至于為什么隨著CuSO4溶液濃度增大，產物中藍色糊狀物增多。我們認為是因為隨著CuSO4溶液濃度增大，硫酸銅含量增多，生成堿式硫酸銅就多。CuSO4溶液濃度越稀，生成的堿式硫酸銅就少。另一種認為是發生了如下反應（1）2Na+2H2O=2NaOH+2H2↑， （2）2NaOH + CuSO4 = Cu（OH）2（藍）↓+Na2SO4，反應熱積聚，使部分Cu（OH）2分解，生成CuO，CuO又被剩余的Na與H2O反應產生的氫氣還原成Cu，即（3）Cu（OH）2=CuO（黑）+H2O， （4）CuO+H2=Cu+H2O。我們認為在上述實驗條件下，這兩種反應都可能同時發生，而不單單是發生了其中的一種反應。從反應機理上分析，也是完全可能的。因為2Na（s）+CuSO4（s）=Na2SO4（s）+Cu（s）， ΔrGθ=-604.93kJ/mol，自由能為負值，比較小，反應是很容易發生的。另一方面，金屬鈉片遇硫酸銅溶液中的少量水會立即發生反應，生成的氫氧化鈉與硫酸銅發生反應（見本段中反應（1）、（2））。我們也知道，氫氧化銅很易分解， 反應（3）在80℃就能進行[7]。（有資料記載：氫氧化銅遇熱水分解[8]。我們還驗證了氫氧化鈉與硫酸銅溶液在試管里發生反應，生成藍色的氫氧化銅，經酒精燈稍微加熱，很快變成黑色，說明氫氧化銅的分解溫度很低。）生成的氧化銅與反應（1）中產生的氫氣發生了置換反應（4），該反應溫度約250℃就可進行[9]， 我們認為是反應（1）中在局部產生的大量熱量，可給接下來一系列的反應提供了溫度，使反應得以進行下去。所以我們認為在生成銅的過程中，上述兩種情況都可能同時發生。

（3）在進行一小塊鈉投入到不同濃度的CuSO4溶液的實驗時，產物中沒有得到單質銅，說明鈉與CuSO4溶液在該條件下不能生成單質銅。隨著反應條件的不同，得到的產物也可能完全不同。在CuSO4溶液濃度非常小時，一小塊鈉放入該溶液中，鈉迅速在溶液表面游走，比如在1%CuSO4溶液中，產物是很少的藍色絮狀沉淀。隨著溶液濃度的變大，生成的產物變成了灰藍色片狀沉淀，我們認為該實驗發生了如下反應； （1）2Na+2H2O=2NaOH+2H2↑， （2）2NaOH+CuSO4=Cu（OH）2（藍）↓+Na2SO4， 反應的熱量積聚，使部分Cu（OH）2分解，即（3）Cu（OH）2=CuO（黑）+H2O， 但是硫酸銅溶液的量相對較多（10mL）， 水量較多，產生的熱量很快被吸收，使其溫度達不到氫氣還原氧化銅反應的溫度（約250℃）。所以我們看到的灰黑色片狀沉淀是藍色的Cu（OH）2與黑色的CuO的混合物。

（4）在進行將研磨成粉末狀的膽礬和無水硫酸銅粉末分別撒在一小塊金屬鈉片上的實驗中，我們根據實驗現象，看到產物中有黑色生成物，加入1︰1鹽酸溶液，未得到單質銅，我們認為該黑色產物是氧化銅，發生的反應同上。

（5）在進行少量的CuSO4溶液分別滴加在一小塊鈉片上的實驗時，滴加CuSO4溶液的量以鈉片完全反應為標準，如果像其他研究該實驗的人那樣，認為金屬鈉表面有紅色固體物質出現，那紅色固體物質就是單質銅，是不科學的。因為單憑顏色判斷是不夠準確的，必須要對反應產物進行研究。研究方法是：把該反應產物溶解在水中，棄去可溶物，再加1︰1鹽酸進行反應，結果只得到極少量的銅，那大量的紅色固體物都不是單質銅。另一方面，在進行不溶物處理時，剩余的鈉又會與水劇烈反應，影響了實驗的進行，增加了實驗的繁瑣程度。因此，實驗時不要取太多的金屬鈉。

（6）比較第一組和第二組實驗，我們可以得出，在進行化學反應時，相同的反應物，隨著反應條件的不同，得到的產物也可能完全不同。在本實驗中，金屬鈉與少量的硫酸銅溶液反應時，有單質銅生成，而與大量的硫酸銅溶液反應時，還有和硫酸銅晶體粉末和無水硫酸銅粉末反應時，產物中得不到單質銅。我們認為銅的生成與水量的多少有一定的關系，可能是鈉與水反應產生了熱量，導致溫度升高有關。少量硫酸銅溶液含有少量的水，與鈉片反應，放出熱量，能量聚集，溫度升高，是生成銅單質反應得以進行的重要條件。而鈉塊投入到大量的硫酸銅溶液中，產生的熱量很快散失，溫度不能快速升高，因而沒有生成銅單質。如果水量極少或缺水，鈉與水反應產生能量少，溫度升不高，生成的氫氣又少，因而不會有單質銅生成。如硫酸銅晶體粉末、無水硫酸銅粉末撒在鈉片上的實驗現象就是一個實證。

參考文獻：

[1] [7] 許紹權. 硫酸銅液滴與金屬鈉作用小議[J]. 化學教育，2006，（5）：59.

[2] 吳江明， 熊言林. 一個多用途的實驗裝置--鈉與硫酸銅溶液反應的組合設計[J]. 化學教學 ， 2004，(7-8)：8-9.

[3] 柴逸梵. 金屬鈉與硫酸銅溶液反應會有氧化銅生成[J]. 化學教學 ， 1993，(4)：46-47.

[4] 丁杰 ， 黃建兵 ， 陳勇. 硫酸銅溶液與氫氧化鈉溶液作用產物討論[J]. 自貢師范高等專科學校學報 ， 1993，(4)：74-75.

[5] 袁白云 ， 劉秀紅. 鈉與硫酸銅溶液反應中的意外現象及分析[J]. 湖北中小學實驗室 ， 2001，(6)：5.

[6] 阮鴻飛， 李云芬. 鈉與硫酸銅溶液反應的實驗設計[J]. 實驗教學與儀器 ， 2003，(7-8)：46-47.

[8] 《中學教師化學手冊》編委會編. 中學教師化學手冊[M]. 北京：科學普及出版社，1981：128.

[9] 熊言林，魏先文. 土紅色物質是氧化亞銅還是銅[J]. 化學教育， 2006， 27(2): 59-60.

“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”