影响铝和铜盐溶液反应因素的探究苏州朱亚明 毛明

第1页影响铝和铜盐溶液反应因素的探究（朱亚明毛明）（木渎实验中学江苏省苏州市215101；苏州市教育科学研究院215003）摘要铝与铜盐溶液反应置换出铜，这已是基础化学中的一个常识问题，这一反应不仅是研究铝的化学性质的重要内容，也是推断金属活动性的重要实验。特别是新课程的九年义务教育课程标准实验教科书下册（上海教育出版社，下称上教版）p.196探究铝、铁、铜三种金属活动性强弱，为学生设计了铝与铜盐溶液反应的实验，这一类反应作为课堂探究活动的一个实例，说明此实验在中学化学教学中的重要性。关键词影响铜盐因素探究1问题的提出铝是一种比较活泼的金属，能否置换出铜盐溶液中的铜，这是由二者的还原电位决定的，已知：E(Al3+/Al)＝–1.66；E(Cu2+/Cu)＝0.34，所以反应2Al+3Cu2+＝2Al3++3Cu将正向进行并较为彻底，实验时只要打磨掉铝表面的氧化膜，将铝放入任何铜盐溶液中均置换出铜似乎应是顺理成章的事实。但实际上，在以下三种情形下：①将铝片直接放入硫酸铜溶液中，②将铝片表面氧化膜用砂纸打磨后放入硫酸铜溶液中，③将铝片置氢氧化钠溶液中处理并洗涤后快速浸入硫酸铜溶液中，且在数分钟内都不会很快析出较多的铜。而且打磨用的砂纸颗粒目数不同，打磨时用力及均匀程度不同所产生的现象也不尽相同。但是，如果将无论是否用砂纸打磨的铝片放入氯化铜溶液中，却效果极好：发现铝片表面迅速产生大量气泡，并可在十数秒内形成大量疏松紫红色固体；这和将铝浸入硫酸铜溶液比较，在现象上产生很大的反差。那么，这种显著差异的原因是什么？铜盐溶液的浓度是否对反应现象有显著影响？但仅仅就析出紫红色固体的现象而言，铝片浸入硫酸铜溶液30分钟后与铝片浸入氯化铜溶液趋于接近，这是浸入溶液中时间长短的因素吗？结合上述疑惑，笔者进行了相关实验并通过许多学生的分组实验，分析了影响铝和铜盐溶液反应的因素。2影响因素2.1氯离子效应【实验1】未打磨的铝片分别浸入盛有10mL氯化铜、硫酸铜溶液的烧杯中的对比实验CuCl2溶液（0.5mol•L－1）CuSO4溶液（0.5mol•L－1）第2页迅速产生较多细小气泡和4min内铝片表面迅速沉积疏松的紫红色固体，并放大量的热，片刻后溶液由蓝绿色变成无色。一段时间内没有明显现象上述实验表明，铝在氯化铜、硫酸铜溶液中反应置换出铜的速率和现象差异极大，氯化铜溶液和硫酸铜溶液中不同是酸根离子，见下图1、图2。人们早已发现，盐酸、氯化铜溶液中的氯离子较易破坏铝表面氧化膜，并将其称为“氯离子现象”或“氯离子效应”，例如傅鹰教授就谈到这种氧化膜“在盐类（如NaCl）的溶液中，这层氧化膜易脱落【1】”。由高等教育出版社出版的《无机化学演示实验》一书就谈到“盐酸破坏铝的钝态”、“氯离子很容易被吸附在氧化膜上，把氧化膜中的氧离子取代出来”。林美凤老师提到“Cl－不断能破坏表面的氧化膜，还能阻止铝表面氧化膜的形成，而SO42－则很弱。因此未去除氧化膜的铝片常温下能与氯化铜溶液反应而几乎不与硫酸铜溶液反应”、“Cl－穿过膜孔或裂缝的能力比SO42－强得多，同时还能使氧化膜呈胶状分散状态，从而增加了Cl－的穿膜机会。【2】”概括地说：Cl－有破坏金属氧化物和金属晶体结构的功能而SO42－不具备这项功能【3】。2.2用砂纸打磨2.2.1用砂纸打磨的目的铝片不但在空气中也可以在溶液中被空气中的氧气或者水溶液中的水所氧化形成致密氧化膜。氧化铝都能与酸、碱反应，但氧化铝在碱性的溶液中反应比在酸性溶液中快，因此化学教师通常处理有膜铝片浸入浓的氢氧化钠溶液中，待铝片表面有大量气泡出现时，取出铝片马上用大量的书冲洗铝片即可。但初中阶段学生不理解氧化铝是两性氧化物，所以只能用砂纸打磨的物理方法来去除氧化膜（上教版p.19用砂纸打磨镁带去除外层的氧化膜）。2.2.2打磨时用力程度及均匀程度及选用砂纸目数【实验2】A、B两学生分别取一片铝片，然后用180目的砂纸（粗砂纸）单向用力打磨图2.左杯内铝片经粗砂打磨浸入硫酸铜溶液，右杯未经打磨的铝片浸入氯化铜溶液，两者差异显著图1.未经打磨的铝片浸入硫酸铜溶液中，现象不明显第3页3次，分别将其浸入硫酸铜溶液片刻后用镊子取出对比。学生A的实验现象学生B的实验现象粗砂纸打磨的在划痕处有少量气泡，附着少量疏松的紫红色固体。粗砂纸打磨的片刻内现象不明显。铝是比较活泼的金属，在其表面极易形成一层致密的氧化铝膜，会阻碍铝和铜盐溶液的发生置换反应，“即使硫酸铜溶液中加入少量的稀硫酸，H＋固然破坏铝表面的氧化膜，但在常温下很弱。【4】”因此，使用铝片必须作去除氧化膜的操作。上述实验表明，不同的学生用相同目数的粗砂纸处理铝片，打磨时用力程度及均匀程度决定实验的效果，学生A单向用力大而不均匀，但已将少量氧化铝膜去除，呈现的划痕处有铝显现，浸入硫酸铜溶液中后即接触到划痕处的铝，反应发生；学生B用力小，显而易见没有去除氧化膜，片刻内没有明显现象。【实验3】C、D两学生分别取一片铝片，然后用特细砂纸或金相砂纸往复打磨数次，再将其浸入硫酸铜溶液片刻后取出对比。学生C的实验现象学生D的实验现象特细砂纸均匀打磨的表面产生较多细小气泡，表面均匀附着紫红色固体。特细砂纸用力往复打磨的表面一段时间内没有明显现象。比较实验2中学生A和实验3中学生C的实验现象，选用的砂纸颗粒粗细目数不同影响了现象不同，学生C因砂纸颗粒特细，用力程度均匀，打磨数次，较易去除外层氧化膜，比粗砂纸去除效果好，表面的氧化膜基本去尽，所以产生较多细小气泡，表面均匀附着紫红色固体。图4.经粗砂纸较用力打磨，划痕处有少量铜析出图3.粗、细砂纸打磨铝片都太轻，浸入硫酸铜溶液现象不明显图5.左侧粗砂纸用力打磨，右侧细砂纸均匀打磨，图6.左侧粗砂纸用力打磨，右侧细砂纸往复用力打磨，第4页同样的特细砂纸打磨，比较学生C、D的实验现象的不同在于学生C用力程度均匀，往复打磨数次，表面的氧化膜基本去尽；学生D连续用力往复不断打磨，用力程度大且均匀，因铝在空气中极易被氧气氧化，铝表面摩擦生成大量的热又形成了新的氧化膜,一段时间内阻止置换反应发生。2.3铜离子的浓度不同【实验4】分别取表面洁净光滑的4片铝片（用浓氢氧化钠溶液处理过并冲洗干净），分别浸入不同浓度的10mL氯化铜溶液中，观察产生疏松状固体的时间对比。浓度/mol·L－12.01.00.50.1相同的现象疏松状紫红色固体，溶液由蓝绿色变为无色，放出大量热不同的现象急速产生大量气泡急速产生大量气泡迅速产生较多气泡气泡较少时间/min0.51412上述实验表明，表面洁净光滑的铝片表面和不同浓度氯化铜溶液反应得到的铜均是疏松紫红色，说明铝和氯化铜溶液反应生成铜的形态和氯化铜溶液的浓度无太大关系。2.4浸没在溶液中的时间无论是铝和氯化铜溶液反应，还是铝和硫酸铜溶液反应，同一反应因某种因素的改变，现象呈现快或慢，差异显著或不明显。要指导学生耐心观察铝和铜盐溶液反应：有个别学生刚把铝片插入溶液中即把铝片取出，当然不易观察到现象；另外同样观察紫红色粉末析出现象，透过溶液看和取出看是不同的；由于反应放热，溶液的温度逐渐升高，铝片表面均有气泡，生成的紫红色固体没有紧密吸附在铝片表面，而是呈疏松状。起初一段时间内，最主要观察的是疏松状紫红色固体出现时间不同，但是30分钟后的铝和硫酸铜溶液反应的结果与4分钟后铝和氯化铜溶液反应的结果接近：反应趋于平静，都有较多疏松状紫红色固体析出。2.5拟制成中考试题苏州市2009年第30题（8分）在日常生活中，我们发现切过咸菜的刀更容易生锈，而除锈用稀盐酸比稀硫酸快。为了进一步验证上述现象，某校师生做了以下相关分组实验，请你根据自己平时课堂学习的体验一起参与讨论并回答相关问题。★步骤一未打磨的铝片浸入氯化铜溶液中，迅速产生大量气泡和疏松的紫红色固体，第5页并放热，片刻后溶液由蓝绿色变成无色。（1）若要证实紫红色固体中是否含有氧化铜，可用▲溶液（填一试剂）加以检验。★步骤二未打磨的铝片浸入硫酸铜溶液中，一段时间内没有明显现象。（2）比较步骤一、二，你能得出的结论是：▲。★步骤三打磨过的铝片浸入硫酸铜溶液中，其操作、现象和结论见下表。（3）试将“影响因素”选项前合适的字母序号与下表中“对比结论”相对应，填入答题卡指定位置。实验操作实验现象对比结论Ⅰ.一片用粗砂纸单向用力．．．．磨擦3次，将其浸入硫酸铜溶液片刻后用镊子取出。现象一：粗砂纸打磨的在划痕处有少量气泡，附着少量疏松的紫红色固体；现象一与现象二对比，说明：①▲现象二：粗砂纸打磨的片刻内现象不明显。Ⅱ.一片用特．细砂纸往复．．摩擦数次，再将其浸入硫酸铜溶液片刻后取出。现象三：特细砂纸打磨的表面产生较多细小气泡，表面均匀附着紫红色固体。现象三与现象一对比，说明：②▲现象四：特细砂纸往复打磨的表面一段时间内没有明显现象。现象四与现象三对比，说明：③▲☆影响因素：A.打磨时用力程度及均匀程度不同B.选用砂纸颗粒粗细程度不同C.由于摩擦生热又形成了新的氧化膜（4）比较步骤三各实验操作中用砂纸打磨的作用是：▲。（5）请仔细观察下图：试从微观粒子变化的角度分析该反应的实质是：▲。答案：（1）稀盐酸或稀硫酸（1分，0.68）（2）氯离子对金属及其氧化物的结构具有较强的破坏作用（或氯离子促进反应的进行或铜盐溶液中酸根离子种类不同）（1分，0.66）（3）影响因素：①A（0.68）②B（0.85）③AC（0）（每空1分）（4）证实氧化膜对反应的影响（是否破坏氧化物）（1分，0.01）（5）在溶液中，铝比铜活泼，每2个铝原子失去6个电子，变成2个铝离子；每3个铜离子得到6个电子变成3个铜原子（2分，0.15）注：试题答案内的括号内小数是该小题的得分率。Cu2+硫酸铜溶液铝片Al铜硫酸铝溶液铝片Al3+Cul第6页3结束语通过铝分别与硫酸铜溶液和氯化铜溶液反应的探究实验案例，为学生展开思维冲突，提供发现问题、解决问题的契机，为学生创设体验动手操作的问题情境。因此教师要切实重视实验教学，深入分析和研究实验过程中的所谓“异常现象”，充分挖掘实验教学的教育功能。参考文献〔1〕傅鹰.大学普通化学（下册），北京：人民教育出版社，1981：535〔2〕《无机化学演示实验》编写组.无机化学演示实验，北京：高等教育出版社，1980：315〔3〕林美凤.铝与酸、碱反应的实验探索及理论研究.化学教育.2001，（12）：35〔4〕林美凤.铝与酸、碱反应的实验探索及理论研究.化学教育.2001，（12）：36