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钠投入硫酸铜溶液时的反应实验探究

来源:未知作者:林夕 点击:所属专题: 金属钠 硫酸铜
铜离子比氢离子的氧化性强( 还原电位 E (Cu 2+ /Cu) = 0.34V, E (H + /H 2 ) = 0.00V ),当钠投入硫酸铜溶液时,主要发生哪些反应呢? 一、实验: 我们配制了五种不同浓度的硫酸铜溶液: Ⅰ 1.4mol/L( 饱和溶液。硫酸铜溶解度在 25 ℃时为 23g/100g 水,溶液密度为 1.2g/

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铜离子比氢离子的氧化性强( 还原电位 E (Cu2+/Cu)=0.34V,E (H/H2)=0.00V),当钠投入硫酸铜溶液时,主要发生哪些反应呢?

一、实验:

我们配制了五种不同浓度的硫酸铜溶液:

1.4mol/L( 饱和溶液。硫酸铜溶解度在 25 ℃时为 23g/100g 水,溶液密度为 1.2g/mL) ,Ⅱ0.70mol/L ,Ⅲ0.47mol/L ,Ⅳ0.28mol/L ,Ⅴ0.14mol/L 。

用 pH 试纸测得 Ⅰ —— Ⅳ 溶液的 pH 值为 3 , Ⅴ 溶液 pH 值约为 4 。

我们首先取 Ⅰ 饱和溶液注入小试管,加入大米粒大小的金属钠,反应剧烈,钠有跳动,迅速生成一层亮红色的金属铜,包围了钠粒,反应随之停止。这时还出现了少量的黑色沉淀。放置约十五分钟后突然一声尖锐的爆鸣,铜层爆破,溶液溅出试管。

为了安全,我们改用小烧杯继续实验。将这五种溶液各取 50mL 分盛于五个小烧杯中,分别加入大米粒大小的金属钠,迅速盖上玻璃片,观察现象如下:

Ⅰ 溶液中钠粒不游动,燃烧,有爆鸣声,产生大量的黑色沉淀和少量的片状浅蓝色沉淀。

Ⅱ 溶液中钠粒游动半圈后燃烧,其它现象同 Ⅰ 。

Ⅲ 溶液中钠粒游动时没有黑色沉淀;后来钠粒燃烧,并不再游动,这时出现一些黑色沉淀。

Ⅳ 溶液中钠粒游动时没有黑色沉淀;后来钠粒附着在烧杯壁上,燃烧;透过烧杯壁清晰可见亮红色的金属铜附着在烧杯壁上,铜周围迅速变黑,最后只剩中心一点亮红色。可见黑色沉淀是铜被氧气氧化生成的氧化铜。从液面上方观察,钠粒游过的地方产生浅蓝色的氢氧化铜沉淀。

Ⅴ 溶液中钠粒迅速游动,产生浅蓝色沉淀;最后很少量钠附着在烧杯壁上燃烧,产生少量黑色沉淀。

各烧杯中黑色氧化铜沉淀逐渐减少, 7 小时后几乎全部溶解。这是酸性溶液的作用。

二、分析:

从热力学角度分析,钠应首先与铜离子反应还原出铜。这在 Ⅰ、 Ⅱ 溶液中有所表现。但钠与更稀的硫酸铜溶液作用时,开始并不产生铜,这得从动力学角度分析。一方面,铜离子由于与水分子络和,较难与钠接触;另一方面,钠浮在液面上不停地游动,由于氢气的生成难以与溶液充分接触,只能与稀溶液表面的水和氢离子([H] =1 × 10-3 mol/L )以及空气中的氧气接触而反应。当钠燃烧时,它不再游动,这时钠周围溶液的温度迅速升高,水合铜离子受热而离解出赤裸的铜离子与钠反应,还原出金属铜,进而被氧化为氧化铜。这就是 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 溶液中钠燃烧时才出现黑色沉淀的原因。

这里钠与空气中氧气的直接作用十分重要。钠可以通过此途径转化为氢氧化钠,进而生成浅蓝色的氢氧化铜沉淀。

三、结论:

1 、当钠投入较浓(约 0.5mol/L 以上)的硫酸铜溶液时,同时发生如下反应:

A)2Na+CuSO4 ==Na2SO4+Cu

B)2Cu+O2 ==2CuO

C)2Na+2H2O==2NaOH+H2

D)2NaOH+CuSO4==Cu(OH)2↓ +Na2SO4

E)4Na+O2 ==2Na2O

F)Na2O+H2O==2NaOH

2 、当钠投入较稀(约 0.5mol/L 以下)的硫酸铜溶液时,若不燃烧,这时不发生上述反应 A) 和 B) ,只生成氢气和氢氧化铜。若燃烧,上述六个反应均能发生。

3 、溶液浓度越大(粘度也越大),液面越窄,钠粒的温度越易升高并燃烧,越易生成铜和氧化铜。

4 、新配制的溶液搅拌时溶入了较多的氧气,使投入其中的钠更易反应;若生成铜,也更易被氧化为氧化铜。

(责任编辑:化学自习室)
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