对铁与硫酸铜溶液反应的实验探究

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1、对铁与硫酸铜溶液反应的实验探究　　文章编号：1008-0546（2013）03-093-02中图分类号：G633.8文献标识码：B　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2013.03.040　　一、问题的提出　　人民教育出版社出版的《义务教育教科书?化学?九年级?上册》第五单元课题一[探究实验方案二]（第93页）中，提出将铁钉放入硫酸铜溶液中，希望学生观察到“反应前的总质量等于反应后的总质量”的现象同时，还能观察到“溶液由蓝色变为浅绿色，铁钉表面有红色物质”。但笔者在实验教

2、学中发现：很难在短时间内看到溶液由蓝色变为浅绿色；同时还发现铁钉表面有时没有出现红色物质，却出现黑色物质。这种异常的实验现象给我们教学带来了一些干扰，为此笔者做了大量的实验，有了一点成果与各位读者共享。　　二、实验探究　　1.探究实验1　　（1）称量3g无水硫酸铜固体多份，然后将不同质量的水分别加入硫酸铜固体中，搅拌溶解；　　（2）分别取3mL上述配制好的硫酸铜溶液于试管中，分别加入3根3.9cm铁钉；　　（3）观察实验现象（①以3分钟为限②4为了能准确地描述现象，避免自己主观判断，笔者请学生来观

3、察实验现象，下同）。现象如表1所示。　　实验结论：①当硫酸铜与水的质量比为3∶70左右时，实验效果好；　　②硫酸铜溶液浓度较低时，易出现黑色物质。　　实验分析：Cu2+会发生水解现象，Cu2++2H2OCu（OH）2+2H+，新生成的氢氧化铜又极不稳定，会迅速分解而变暗：Cu（OH）2=CuO+H2O。　　初中化学中常见的可溶性铜盐除硫酸铜外，还有氯化铜和硝酸铜，为此笔者做了探究实验2。　　2.探究实验2　　分别配制与上述硫酸铜溶液（3∶70）浓度相当的氯化铜溶液和硝酸铜溶液，取少量溶液，分别加入

4、3根铁钉，观察现象并记录时间。现象如表2所示：　　（笔者学校只有CuCl2浓溶液，此溶液由于含有[CuCl4]2-和[Cu（H2O）4]2+两种配离子的缘故而显绿色，当加入一定量水后，水分子取代了[CuCl4]2-中的Cl-，形成[Cu（H2O）4]2+，溶液颜色就显蓝色了。）　　实验结论：①相同条件下，氯化铜溶液与铁反应的速度明显比硫酸铜、硝酸铜溶液与铁反应的速度要快；　　②氯化铜溶液与铁反应时几乎看不到有黑色物质出现。　　实验分析：①铁表面常会覆盖一层氧化膜，阻止了Fe与Cu2+接触，当存在C

5、l-时，Cl-就穿过氧化膜，取代膜中的氧原子使具有保护作用的氧化膜成为可溶性的氯化物，从而活化了金属表面，促进了反应的进行。由于不同阴离子钻穿能力不同（Cl->SO42-、NO3-），故对反应影响就有差异。　　②4Cl-络合能力要强于SO42-、NO3-，Cu2++4Cl-=[CuCl4]2-，这样就抑制了Cu2+的水解，减少了生成氧化铜的可能。　　既然有Cl-的溶液反应效果非常好，那在硫酸铜溶液中引入少量Cl-，实验效果将会如何呢？为此笔者进行了探究实验3。　　3.探究实验3　　在硫酸铜溶液（3

6、∶70）中加入少量NaCl（笔者在约72mL的溶液中加了小半药匙NaCl），搅拌溶解，取少量溶液，加入3根铁钉，观察现象并记录时间。现象见表3所示。　　实验结论：在硫酸铜溶液中加入少量NaCl时，实验效果非常好。　　实验说明：加入食盐的量不可太多，这是因为硫酸铜会与过量的食盐发生反应，CuSO4（蓝色）+4NaClNa2[CuCl4]（黄色）+Na2SO4，溶液中同时有CuSO4（蓝色）和Na2[CuCl4]（黄色）而使整个溶液显绿色，从而导致后面无法观察到溶液颜色的变化。　　加热是我们常见用于提

7、高化学反应速度的方法，如果我们提高了硫酸铜溶液的温度实验效果又将会如何呢？为此笔者又做了探究实验4。　　4.探究实验4　　取少量硫酸铜溶液（3∶70）于试管中，加热溶液（笔者加热到溶液快要沸腾时），放入3根铁钉，观察现象并记录时间。现象见表4所示。　　实验结论：提高硫酸铜溶液的温度，实验效果也非常好。　　实验分析：由于温度的升高，粒子运动速度加快，降低了反应活化能，增加了促进化学反应的有效碰撞次数，从而大大加快了反应速度。　　三、建议　　1.实验时，在硫酸铜溶液（3∶470）中加入少量NaCl或提

8、高硫酸铜溶液的温度，会使实验效果非常好；　　2.实验前可以用细线将铁钉扣上，要观察实验现象时，将铁钉从溶液中牵出，方便学生观察铁钉与溶液的变化；　　3.让学生观察溶液颜色变化时，可以用原蓝色的硫酸铜溶液做对比，后面再用一张白纸放在容器后面作衬托，学生会观察得更明显；　　4.也可以将铁钉换成铁片或螺旋状的铁丝，实验效果也会提高。　　（本文的完成得到了扬州大学化工学院吴星教授、吕琳教授、笔者所在单位同事和学生的帮助，在此深表感谢！）4