帶膜鋁片放入硫酸銅溶液的實驗探究

胡敏友 朱志江 張振

摘要：由帶膜鋁片浸入0.5mol·L^-1cuso4溶液中產生的“意外現象”，引發對該實驗進行對比探究，綜合相關文獻對部分實驗現象和結論進行闡釋，拓展對鋁片上自然氧化膜成分和結構的再認識，強化對氧化還原反應類競爭反應的反應規律的全面理解。

關鍵詞：意外現象;實驗探究;現象闡釋;結論延伸

文章編號：1008-0546（2019）10-0094-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.026

蘇教版《化學與生活》（選修）專題3第一單元的“活動與探究”欄目中設計了【實驗2】（1）向1只小燒杯里加20mL 0.5 mol·L^-1CuSO4溶液，把一小塊鋁片浸入溶液，1-2min后觀察鋁片表面的現象，將現象填寫在表3-2中。

實際課堂教學中發現，此實驗的現象為：（室溫下）2分鐘左右鋁片邊緣處先有少許的無色氣泡附著，后慢慢增多，繼而有連續的氣泡產生和紅色物質析出，在紅色附著物慢慢增多的過程中，氣泡速度也隨之加快，接著鋁片中間也有無色氣泡附著和斑點狀紅色物質析出（圖1為實驗進行11分鐘時的圖片），與理論上的“無明顯現象”存在明顯差異，由此引發對此實驗進行進一步探究。

一、實驗探究

【實驗1】（1）將帶自然氧化膜鋁片的切口處用清漆涂刷后，再浸入新配制的0.5mol·L^-1的GASO4溶液中，觀察鋁片表面的現象。

【現象】約3min后鋁片邊緣處有少許的無色氣泡附著，慢慢增多，約在5min后有連續的氣泡產生和紅色物質析出，在紅色附著物慢慢增多的過程中，氣泡速度也隨之加快，接著在鋁片中間出現無色氣泡附著和冒出（見圖2）。

（2）將實驗1中盛有鋁片和硫酸銅溶液的試管，在室溫下靜置6h后，用pH試紙測定試管內溶液的pH。

【現象】試管內浸在溶液中的鋁片上附滿了疏松的紅色固體物質，溶液幾乎變成了無色，但仍有少量的無色氣泡從紅色的附著物（Cu）上冒出，輕輕晃動一下試管，溶液中有白色膠狀的物質出現（如圖3所示），溶液的pH=4～5。

【實驗2】將去膜（用砂紙打磨）后的鋁片浸入新配制的0.5mol·L^-1的CuSO.溶液中，觀察鋁片表面的現象。室溫下將試管靜置6h，再用pH試紙測定試管內溶液的pH。

【現象】鋁片上立即有大量的無色氣泡產生和疏松的紅色固體附著物析出，溶液的pH=4～5。圖4為去膜（右）與帶膜（左）鋁片對比現象記錄。

【實驗3】將去膜（用砂紙打磨）后的兩塊鋁片分別放入盛有濃硝酸和濃硫酸的小燒杯中，約3min后取出，用蒸餾水洗凈，再分別放入盛有4mL左右的0.5mol·L^-1CuSO.溶液的兩只試管中，靜置觀察。

【現象】約5min后，現象與【實驗1】現象相似。圖5分別是被濃硫酸（左）和濃硝酸（右）浸洗后的鋁片浸在0.5mol·L^-1CuSO.溶液中4h后的現象。

二、實驗現象及結論的理論分析

1.綜合實驗1和實驗2可得：鋁片表面在自然狀態下形成的氧化膜能被0.5 mol·L^-1的硫酸銅溶液腐蝕，鋁與硫酸銅溶液反應能產生紅色固體物質（cu），且以非有序形貌附著在鋁片上，同時產生無色氣體（H2）。

2.帶膜鋁片表面的氣泡從無到有，速率先慢后快又逐漸變慢，最后在硫酸銅溶液接近無色后，鋁片（附著的銅）上仍有少量無色氣泡產生。

在鋁表面的氧化膜沒有被破壞前，表面的氧化膜阻止了鋁與硫酸銅溶液直接接觸，所以實驗剛開始時沒有明顯的實驗現象。當鋁表面的氧化膜被破壞，逐漸裸露的鋁直接接觸到硫酸銅溶液后，反應①、②即刻發生，反應現象也隨即顯現，故鋁片上氣泡從無到有。

相關資料顯示，反應物濃度大小、反應溫度高低、反應物接觸面積大小等都是影響化學反應速率的重要因素。在其它條件不變時，反應物濃度大、反應溫度高、接觸面積大等都會使反應速率加快。

就此實驗而言，由于反應①、②都是放熱反應，所以，隨著溶液中反應①、②的進行，溶液的溫度將逐漸升高;鋁表面的氧化膜被腐蝕程度逐漸加大，鋁與硫酸銅溶液直接接觸的面積逐漸變大;因而，在這兩種主導因素的共同影響下，雖然在反應②的進行過程中，溶液中的H+濃度在不斷降低，但反應②的速率還將逐漸變大！故，產生氣泡速率由慢變快。

不僅如此，溶液中反應①產生的附著在鋁上的銅與沒反應的鋁在溶液中還可形成原電池，形成原電池后也將加快反應②的速率。因為銅與鋁在溶液中形成原電池后，銅為正極，溶液中的H+不需要再穿越AI³⁺的包圍到鋁片上得電子，而是直接在銅上不斷地和電子結合放出氫氣，從而加快了氫氣產生的速率。所以，銅與鋁在溶液中形成原電池后，也能促使反應②的速率加快。

綜合溶液溫度升高、鋁與硫酸銅溶液接觸面積增大和在溶液中形成原電池等三個方面的因素可知，溶液中產生氫氣的反應②的速率會逐漸由慢變快。而隨著反應②的進行，溶液中氫離子濃度將逐漸降低，當氫離子濃度轉化成為影響此溶液中反應②速率的主導因素時，反應②的速率將隨著溶液中氫離子濃度的降低而減小。由于在其它條件不變時，反應物濃度降低，反應速率變小，所以，在后期的反應中，隨著溶液中氫離子濃度逐漸降低，反應②的速率也隨之逐漸變慢。故才有“實驗中鋁表面的氣泡從無到有，速率先慢后快又逐漸變慢”的現象產生。

由于在試管內溶液接近無色時，溶液仍呈弱酸性（pH=4～5），浸在溶液中的鋁發生原電池反應（析氫腐蝕），在銅（原電池的正極）上產生H2，所以有“硫酸銅溶液無色后，鋁片（附著的銅）上仍有氣泡產生”的現象。

3.對比實驗1和實驗3可得：常溫下，鋁在濃硝酸或濃硫酸中鈍化后形成的氧化膜和在自然狀態下形成的氧化膜都可以被0.5mol·L^-1的硫酸銅溶液（pH=3.59）腐蝕，但在同等條件下，鋁在濃硝酸中鈍化后形成的氧化膜被0.5mol·L^-1的硫酸銅溶液腐蝕的速率相對要慢一些。

三、實驗結論延伸

1.中學化學教學中慎重演繹教材中一些特定實驗的實驗結論。

從蘇教版《化學與生活》（選修）專題3的知識邏輯設置上看，再綜合與此實驗相關的理論分析，不難看出，蘇教版《化學與生活》（選修）教材在此設置此實驗的主要目的是想通過【實驗2】（1）中的“2min內無明顯現象”的現象，來證明“鋁片的表面有氧化膜存在，且此氧化膜能阻礙CuSO4和AI的置換反應”;另一方面是想引導學生結合【實驗2】（2）和（3）來說明“氧化鋁具有“兩性”，較易溶于酸或堿溶液”。但教學中若由此而演繹出“0.5 mol·L^-1硫酸銅溶液不能破壞鋁表面的氧化膜”的結論，就顯得不太合適。

2.討論鹽溶液對鋁表面氧化膜影響時，要綜合考慮鋁表面氧化膜的形成條件、氧化膜的組成和結構、鹽溶液的成分及其酸堿性等因素。

鋁在不同外界條件下形成的氧化膜的成分和結構存在差異，討論鹽溶液對鋁表面氧化膜影響時，應綜合考慮鋁表面氧化膜的形成條件、氧化膜的組成和結構、鹽溶液的成分及其酸堿性等因素。若鋁表面氧化膜的成分中α-AI2O3含量較多，γ-AI2O3和氧化鋁水合物含量較少，此氧化膜就不太容易被一些鹽溶液腐蝕，因為α-AI2O3具有晶格結構緊密、對離子的傳導性小、在水、酸、堿、鹽等溶液中溶解度低等特點，耐腐蝕性及絕緣性好。若氧化膜的成分中γ-AI2O3和氧化鋁水合物含量較多，α-AI2O3含量較少，且覆蓋不夠完整，致密性不強，此氧化膜就容易被一些鹽溶液腐蝕，因為γ-AI2O3的顆粒小，表面積大，具有良好的吸附性能和催化活性，穩定性比α-AI2O3稍差，可溶于酸和堿，又稱活性氧化鋁”。

若是相同的鋁，在相同的外界條件下形成的氧化膜，其組成和結構相同，討論不同的鹽溶液對其影響時，則要重點考慮鹽溶液成分和溶液的酸堿性。例如：討論分別含有CI-、SO4^2-、NO3^-的三種鈉鹽溶液對鋁表面自然氧化膜的影響時，就可以從“C1-相對于SO4^2-、NO3^-等有較小的半徑和相對較大的電子密度、C1-穿過膜孔與AI³⁺的配位能力強、易形成配位離子[AICI4]”等方面進行分析，可得“含CI-的鈉鹽溶液易使氧化膜破壞，而SO4^2-、NO3^-反而會抑制氧化膜的破壞”。

3.對氧化還原類競爭反應先后順序問題的再認識。

在中學化學課堂教學中，對類似“溶液中一種氧化劑（還原劑）與多種還原劑（氧化劑）、一種酸（堿）性物質與多種堿（酸）性物質等反應先后順序”問題的討論時，普遍認為是遵循“強者優先”（即“誰強誰先”）的原則，且“先”多被認為是“先反應、反應速率快（即先產生相應的實驗現象快）”等。

室溫下，在0.5mol·L^-1的硫酸銅溶液（pH=3.59）中，從熱力學角度分析：

可得Cu²⁺的氧化性比H+的氧化性強，而此實驗中“先產生氣泡后析出紅色固體”的現象，卻與通常所說的“強者優先”產生了沖突。

由此可見，全面、準確理解“競爭類反應中強者優先”的原則，不能僅從化學熱力學數據方面進行分析和判斷，還要綜合“化學熱力學、動力學數據，將反應置于真實的情境中進行理論分析”，只有當某個具體反應的化學熱力學順序和化學動力學順序一致時，“誰強誰先”的結論才有真實的意義！因為競爭類反應的先后順序受化學熱力學和化學動力學兩種因素共同影響，電極電位只是熱力學數據，可以說明反應的可能性和進行程度的大小，它與反應速率無關，反應速率的大小和反應的劇烈程度是動力學的反應活性，不是熱力學性質，“化學反應速率的快慢與反應的機理和反應物的性質都有關系，一些反應速率的快慢順序與反應物性質的強弱順序雖然可能是一致的，但反應物的性質強弱并不一定是決定反應速率快慢的本質原因”。

四、說明

1.此實驗中使用的主要藥品如下：

硫酸銅晶體：分析純、塑料瓶裝（西安天茂化工有限公司）

鋁片：分析純、塑料袋裝（天津博迪化工股份有限公司）

濃硫酸：分析純、濃度為96%-98%（上海蘇懿化學試劑有限公司）

濃硝酸：分析純、濃度為65%-68%（宜興廣匯助劑化工有限公司）

2.實驗都是在室溫下完成的，三次重復實驗，除在產生實驗現象的時間上有些差異外，其它現象基本一致。