對鐵與硫酸銅溶液反應的實驗探究

文章編號：1008-0546（2013）03-093-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2013.03.040

一、 問題的提出

人民教育出版社出版的《義務教育教科書·化學·九年級·上冊》第五單元課題一[探究實驗方案二]（第93頁）中，提出將鐵釘放入硫酸銅溶液中，希望學生觀察到“反應前的總質量等于反應后的總質量”的現象同時，還能觀察到“溶液由藍色變為淺綠色，鐵釘表面有紅色物質”。但筆者在實驗教學中發現：很難在短時間內看到溶液由藍色變為淺綠色；同時還發現鐵釘表面有時沒有出現紅色物質，卻出現黑色物質。這種異常的實驗現象給我們教學帶來了一些干擾，為此筆者做了大量的實驗，有了一點成果與各位讀者共享。

二、實驗探究

1.探究實驗1

（1）稱量3g無水硫酸銅固體多份，然后將不同質量的水分別加入硫酸銅固體中，攪拌溶解；

（2）分別取3mL上述配制好的硫酸銅溶液于試管中，分別加入3根3.9cm鐵釘；

（3）觀察實驗現象（①以3分鐘為限②為了能準確地描述現象，避免自己主觀判斷，筆者請學生來觀察實驗現象，下同）。現象如表1所示。

實驗結論：①當硫酸銅與水的質量比為3∶70左右時，實驗效果好；

②硫酸銅溶液濃度較低時，易出現黑色物質。

實驗分析：Cu2+會發生水解現象， Cu2++2H2OCu（OH）2+2H+，新生成的氫氧化銅又極不穩定，會迅速分解而變暗：Cu（OH）2=CuO+H2O。

初中化學中常見的可溶性銅鹽除硫酸銅外，還有氯化銅和硝酸銅，為此筆者做了探究實驗2。

2.探究實驗2

分別配制與上述硫酸銅溶液（3∶70）濃度相當的氯化銅溶液和硝酸銅溶液，取少量溶液，分別加入3根鐵釘，觀察現象并記錄時間。現象如表2所示：

（筆者學校只有CuCl2濃溶液，此溶液由于含有[CuCl4]2-和[Cu（H2O）4]2+兩種配離子的緣故而顯綠色，當加入一定量水后，水分子取代了[CuCl4]2-中的Cl-，形成[Cu（H2O）4]2+，溶液顏色就顯藍色了。）

實驗結論：①相同條件下，氯化銅溶液與鐵反應的速度明顯比硫酸銅、硝酸銅溶液與鐵反應的速度要快；

②氯化銅溶液與鐵反應時幾乎看不到有黑色物質出現。

實驗分析：①鐵表面常會覆蓋一層氧化膜，阻止了Fe與Cu2+接觸，當存在Cl-時，Cl-就穿過氧化膜，取代膜中的氧原子使具有保護作用的氧化膜成為可溶性的氯化物，從而活化了金屬表面，促進了反應的進行。由于不同陰離子鉆穿能力不同（Cl->SO42-、NO3-），故對反應影響就有差異。

②Cl-絡合能力要強于SO42-、NO3-，Cu2++4Cl-=[CuCl4]2-，這樣就抑制了Cu2+的水解，減少了生成氧化銅的可能。

既然有Cl-的溶液反應效果非常好，那在硫酸銅溶液中引入少量Cl-，實驗效果將會如何呢？為此筆者進行了探究實驗3。

3.探究實驗3

在硫酸銅溶液（3∶70）中加入少量NaCl（筆者在約72mL的溶液中加了小半藥匙NaCl），攪拌溶解，取少量溶液，加入3根鐵釘，觀察現象并記錄時間。現象見表3所示。

實驗結論： 在硫酸銅溶液中加入少量NaCl時，實驗效果非常好。

實驗說明：加入食鹽的量不可太多，這是因為硫酸銅會與過量的食鹽發生反應，CuSO4 （藍色）+4NaClNa2[CuCl4]（黃色）+Na2SO4，溶液中同時有CuSO4 （藍色）和Na2[CuCl4]（黃色）而使整個溶液顯綠色，從而導致后面無法觀察到溶液顏色的變化。

加熱是我們常見用于提高化學反應速度的方法，如果我們提高了硫酸銅溶液的溫度實驗效果又將會如何呢？為此筆者又做了探究實驗4。

4.探究實驗4

取少量硫酸銅溶液（3∶70）于試管中，加熱溶液（筆者加熱到溶液快要沸騰時），放入3根鐵釘，觀察現象并記錄時間。現象見表4所示。

實驗結論：提高硫酸銅溶液的溫度，實驗效果也非常好。

實驗分析：由于溫度的升高，粒子運動速度加快，降低了反應活化能，增加了促進化學反應的有效碰撞次數，從而大大加快了反應速度。

三、建議

1. 實驗時，在硫酸銅溶液（3∶70）中加入少量NaCl或提高硫酸銅溶液的溫度，會使實驗效果非常好；

2. 實驗前可以用細線將鐵釘扣上，要觀察實驗現象時，將鐵釘從溶液中牽出，方便學生觀察鐵釘與溶液的變化；

3. 讓學生觀察溶液顏色變化時，可以用原藍色的硫酸銅溶液做對比，后面再用一張白紙放在容器后面作襯托，學生會觀察得更明顯；

4. 也可以將鐵釘換成鐵片或螺旋狀的鐵絲，實驗效果也會提高。

（本文的完成得到了揚州大學化工學院吳星教授、呂琳教授、筆者所在單位同事和學生的幫助，在此深表感謝！）