钠与硫酸铜溶液反应产物的实验研究

丁伟+孙安贵

摘要：精心设计了钠与微量硫酸铜溶液发牛化学反应的实验及产物研究，通过改变和控制实验条件等探究证实了该反应产物有红色固体物质铜、黑色氧化铜、砖红色的氧化亚铜和淡黄色的过氧化钠等物质。

关键词：钠；CuSO₄溶液；产物研究；实验探究；实验设计

文章编号：1005-6629（2017）8-0055-05

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1问题的提出

高中学生初学金属钠的性质时，会联想先前学习过的金属活动性顺序及其相互置换的规律：铁比铜活泼，所以铁从硫酸铜溶液中置换出了红色的固体铜，则据此推断：钠比铁更活泼，肯定能将硫酸铜溶液中的铜置换出来。实际上，该实验通常是将绿豆粒大小的钠放人盛有硫酸铜溶液的大烧杯或水槽中，即刻便发生剧烈的化学反应，但是没有观察到红色固体铜析出而是析出了蓝色沉淀。

为什么事实与学生的推断不同呢？钠不能把硫酸铜中的铜置换出来吗？

钠与硫酸铜溶液发生化学反应过程中会析出蓝色沉淀，一般认为是发生了如下的化学反应：钠先和水发生置换反应生成氢氧化钠和氢气，接着氢氧化钠和硫酸铜发生复分解反应生成氢氧化铜和硫酸钠。看似简单的一个问题，但是查阅文献发现，少量硫酸铜溶液和钠反应时，实验中可能会有铜生成。硫酸铜溶液少量，钠过量时，对于是否有铜的生成，文献研究结果归纳总结为两种观点：

（1）钠与过量的硫酸铜溶液反应产生的氢氧化铜受热分解生成氧化铜，氧化铜又被产生的氢气还原成铜。

（2）足量的钠直接置换出少量硫酸铜溶液中的铜。

2Na+CuSo₄→Na₂So₄+Cu

鉴于此，本研究设计并进行了一系列的化学试验，试图探究如下问题：

（1）少量硫酸铜溶液与钠发生化学反应的产物是什么？

（2）不同浓度硫酸铜溶液与钠发生化学反应的产物是否有所不同？

（3）少量硫酸铜溶液与钠发生化学反应中，如果有铜生成，是否还有其他物质生成？

2实验过程

2.1实验设计

为了探究不同浓度微量硫酸铜溶液与钠的化学反应产物，本实验设计如下：配制0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、I5%和饱和的CuSO₄溶液各lOOmL备用。

为了控制硫酸铜溶液的微量滴加操作，选择使用带针头的注射器代替滴管来滴加硫酸铜溶液于用培养皿或表面皿盛放的钠表面（约两个绿豆大小，以保证化学反应过程中钠过量）进行实验。实验操作时，控制在室温条件下使用冷硫酸铜溶液（4～IO℃）进行实验操作。普通滴管每滴液体的体积约为0.05mL； SmL注射器的针头每滴液体的体积约为0.02mL，可以更好地控制溶液的量。由于硫酸铜溶液中的水与钠的化学反应会放出大量的热，盛放钠的表面皿会炸裂，出现钠剧烈燃烧等现象，因此操作者一定要注意CuSO₄溶液滴加的节奏不宜过快以及单次滴加时不宜滴加的量过多。也可以将作为反应容器的表面皿置于另一稍大一号的盛有冷水或冰水的表面皿中，进行降温处理，以避免实验过程反应放热炸裂表面皿和钠燃烧过于剧烈。

2.2实验步骤

2.2.1不同浓度微量CuSO₄溶液与足量钠的反应

实验1在室温下，用SmL注射器分别吸取在冰箱里冷却过的（约4～10℃）0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和饱和的CuSO₄溶液与1小片钠（约两个绿豆大小）进行化学反应，实验操作中注意用注射器一滴一滴地慢慢滴加，第二滴必须在第一滴反应过后滴加。实验现象记录见表1。

2.2.2微量CuSO₄溶液与足量钠的反应产物的检验

实验2由于铜不与盐酸发生反应，而可以与浓硝酸反应生成红棕色二氧化氮气体。依据此化学性质进行检验CuSO₄溶液与足量钠反应的产物。取实验1中生成物加入过量2mol/L稀盐酸后搅拌（由于固体粘着在表面皿），观察现象。再加入过量浓HNO₃，观察现象。实验现象记录见表2。

实验3收集实验l中生成物加入过量的6mol/L的氨水。实验现象记录见表2。

2.2.3 CUSO₄晶体与熔融钠的反应

实验4取一小片钠（两个绿豆大小）置于坩埚中，用酒精灯加热至熔融状态，再撒入约一粒黄豆大小的硫酸铜晶体覆盖在钠表面上，反应结束后，观察到有明显的紫红色物质（铜Cu）生成。由于铜不与盐酸发生反应，而可以与浓硝酸反应生成红棕色二氧化氮气体。依据此化学性质进行检验CuSO₄晶体与熔融钠反应的产物，观察到加入过量2mol/L稀盐酸后搅拌不溶解，后加入过量濃HNo₃立刻溶解，有大量红棕色气泡产生。

2.2.4熔融钠与氧化铜粉末的反应

实验5取一小片钠（两个绿豆大小）置于坩埚中，用酒精灯加热至熔融状态，再撒入约一粒黄豆大小的氧化铜粉末覆盖在钠表面上，反应结束后，观察到有明显的紫红色物质（铜Cu）生成。由于铜不与盐酸发生反应，而可以与浓硝酸反应生成红棕色二氧化氮气体。依据此化学性质进行检验熔融钠与氧化铜粉末反应的产物，观察到加入过量2mol/L稀盐酸后搅拌反应产物不溶解，后加入过量浓HNo₃立刻溶解，有大量红棕色气泡产生。

3实验结果分析与讨论

3.1实验结果

从表1记录可知：实验1中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和饱和的CuSO₄溶液分别与钠反应时，随着CuSO₄溶液浓度的增加，反应剧烈程度也是呈递增状态，且由于浓度的不同，对应的生成物颜色也略有差异。endprint

从表2记录可知：实验2中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和饱和的CuSO₄溶液分别与钠反应时，除0.125%和0.25%对应产物加入2mol/L的HCl溶液后固体物全部溶解外，余下不同浓度的CuSO₄溶液对应产物加入2mol/L的HC1溶液后固体物部分溶解。接着在不溶物中加入浓HNO₃溶液后，剩余固体物全部溶解，且均有气泡产生，反应后溶液呈浅黄色。由于铜不与盐酸发生反应，而可以与浓硝酸反应生成红棕色二氧化氮气体。依据此化学性质检验少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和饱和的CuSO₄溶液分别与钠反应的产物，除0.125%和0.250/。外，余下不同浓度的CuSO₄溶液与钠反应时，都有铜（Cu）的生成，而且随着硫酸铜浓度的增加，生成铜的量呈递增趋势。同时，随着硫酸铜浓度的增加，生成物从CuSo₄溶液在10%以后开始出现黑色物质，且随浓度的增加而增加。

实验3中，对实验1中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和饱和的CuSO₄溶液分别与钠反应时，生成物加入6mol/L的NH₃·H₂o后，除0.125%和0.25%对应产物加入6mol/L的NH₃·H₂o溶液后固体物全部溶解外，余下不同浓度的CuSO₄溶液对应产物加入6mol/L的NH₃·H₂O溶液后固体物部分溶解。这是由于Cu₂O和Cuo发生如下反应：

由此可知，少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和饱和的CuSO₄溶液分别与钠反应时，产物中均有砖红色Cu₂o和黑色Cuo的生成。

3.2分析与讨论

3.2.1 CuSO₄溶液与钠的反应中红褐色产物是什么

实验探究结果显示CuSO₄溶液与钠的反应产物中有红棕色固体物质析出，分析推断认为该物质混有单质铜（Cu）、氧化亚铜（Cu₂O）和过氧化钠（Na₂o₂）。

（1）红棕色物质铜源白熔融的钠与硫酸铜发生了置换反应的生成物：

2Na（s）+CuSo₄（S）=Na₂So₄（s）+Cu（s）

为此设计了实验4进行验证，实验结果显示钠在熔融状态下可以和CuSO₄晶体发生化学反应生成铜。由于实验中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和饱和的CuSO₄溶液分别与钠反应时，实验现象中可以清楚地发现第一步钠都是变成熔融状态的银白色小球，接着进行下一步反应，反应时溶液的用量都是一滴一滴地滴加，控制了CuSO₄溶液的量为极少量，钠先与CuSO₄溶液中的水发生化学反应而被消耗掉，该反应放出大量的热，使得钠呈现熔融状态，熔融的钠与已经无水状态下的CuSO₄晶体发生了置换反应。查阅热力学数据可知，熔融的钠与无水状态下的CuSo₄晶体发生化学反应的自由能△_rC⁰=-604.93kj/mol，为负值，该化学反应为白发反应。

（2）红棕色物质铜源白反应体系中钠和氢气还原氧化铜的化学反应产物，理论分析认为：

由于钠可以与水生成氢氧化钠，而后与硫酸铜反应生成氢氧化铜，接着氢氧化铜分解生成氧化铜，反应剩余的钠以及钠与硫酸铜溶液中的水发生反应生成的氢气都会还原氧化铜而生成红棕色的单质铜（Cu）。

为此设计了实验5进行验证，实验结果显示钠在熔融状态下可以和CuO发生反应生成铜。查阅相关文献得，氢氧化铜在室温下就能缓慢分解生成氧化铜，且温度越高，分解速度越快，分解越彻底。

（3）对于反应中为什么会有氧化亚铜的生成，是由于一小片钠在化学反应过程中逐渐变小，最后开始剧烈燃烧，导致生成的部分单质铜表面在高热状态下与空气中的氧气接触被氧化成了砖红色的氧化亚铜：

（4）对于过氧化钠的生成，反应中析出的淡黄色物质就是最好的证明。实验中少量0.125%、0.25%、0.5%、1%、5%、10%、15%和饱和的CuSO₄溶液分别与钠反应时剧烈放热，一小片钠变成熔融状态的银白色小球与空气中氧气接触发生了氧化还原反应：

2Na+O₂→Na₂O₂

3.2.2 CuSO₄溶液与钠的反应中黑色产物是什么

实验探究结果显示CuSO₄溶液与钠的反应产物中的黑色物质一部分溶于HCl溶液，因此认为黑色物质为单质铜（Cu）和氧化铜（CuO）。

（1）对于10%、15%和饱和CuSO₄溶液与钠反应的生成物中加入2mol/L的HC1不溶解，而加入浓HNO₃全部溶解的黑色物质，笔者认为是黑色的铜。查阅文献得：在粉末状态时，一般金属都呈暗灰色或黑色.这是因为在粉末状态时，品格排列不规则，把可见光吸收后辐射不出去，所以为黑色。总之，铜的颜色无论紫红色还是黑色，都与其形态有直接的关系。

（2）探讨CuSO₄溶液与钠的反应产物中为什么有黑色物质氧化铜的生成，分析认为一方面是由于CuSO₄溶液与钠的反应生成了氢氧化铜，氢氧化铜同时被该反应放出的大量热分解成氧化铜；另一方面晶体CuSO₄与熔融钠的反应生成的单质铜，在该反应放出的大量热和火光等条件下被空气中的氧气所氧化，即一小片钠在反应过程中逐渐变小，最后开始剧烈燃烧，导致生成的单质铜一部分被氧化变成了黑色的氧化铜：

Cu（OH）₂→CuO+H₂o

2Cu+O₂→2CuO

4实验结论

通过实验操作控制滴人微量冷的（约4～lOC） CuSO₄溶液于足量金属钠（两个绿豆大小）表面上的方式，探究并检验不同濃度CuSO₄溶液与钠的化学反应产物。实验现象和产物性质检验表明，不同浓度CuSO₄溶液与钠的化学反应产物中都有红棕色固体物质铜析出。

当CuSO₄溶液浓度大于0.5%时能够观察到有明显的红色固体物质单质铜（Cu）的析出。随着CuSO₄溶液浓度的增加，生成红色固体物质单质铜的量呈速增趋势。当CuSO₄溶液浓度大于10%以后时该反应产物中可以观察到明显的黑色物质氧化铜。分析认为，钠先与微量硫酸铜溶液中的水发生了化学反应，该过程中释放大量热量甚至发生剧烈燃烧等条件下，使得CuSO₄与熔融钠发生化学反应生成了单质铜，由于该实验在敞开体系中有空气的存在，使该化学反应产物中红棕色固体物质铜、反应物中的金属钠等分别被空气中的氧气氧化为砖红色的氧化亚铜和黑色的氧化铜以及淡黄色的过氧化钠等物质。另外，产物中的黑色物质也可能含有呈现黑色的无定型品型的铜。

本实验探究了钠与微量硫酸铜溶液发生化学反应的产物，结合钠与硫酸铜溶液的化学反应的微观本质，设计了实验探究方案，控制了反应物硫酸铜溶液为微量和温度较低（冷溶液）等实验条件，结合实验现象和物质检验结果，论证分析了钠与微量硫酸铜溶液发生化学反应的产物。研究思路体现了宏观辨识与微观探析、实验探究与证据推理相结合的化学核心素养。endprint