金属钠置换出铜的几种实验方案比较
2022-06-08
摘要：从教材中钠与硫酸铜溶液反应的内容谈起，分析钠不能置换出铜的原因；从思考、文献和实证的角度探讨钠可以置换出铜的条件，对各种置换出铜的方式的操作难度、现象、安全性等方面进行了实证和比较。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：金属钠置换铜；实验方案比较；化学实验教学
文章编号：1005?6629（2014）3?0060?02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
置换反应是初中化学实验常见的反应，这类反应让学生对金属活泼性强的金属可以置换出金属活泼性弱的金属的认识较为深刻。鲁科版高中《化学1》第18页的金属钠与硫酸铜溶液的反应是学生进入高中阶段后第一个课外实验[1]，反应生成蓝色沉淀的结论显然难用初中所学置换反应的规律进行解释。在多年的教学实践中，学生就这个实验提到最多的是，金属钠为什么不能把铜置换出来？金属钠怎样才能置换出铜？
关于第一个问题，笔者比较赞同的观点是――钠是活泼的金属，从活泼性角度来分析，钠可以将溶液中的H+和Cu2+置换出来，虽然单独的铜离子比氢离子氧化性强，但在溶液中铜离子以水合铜离子形式存在[2]，金属钠在接触铜离子之前已先接触到了H+。所以将金属钠投入到水中后，钠主要是与水电离出来H+发生反应，而且钠与水反应太快会导致铜离子与钠基本上没有太多接触机会。
关于第二个问题，金属钠在什么情况下可以置换出铜？结合金属钠不能置换出铜的原因不难发现，阻碍钠置换出铜的关键问题在于水，如果能排除或者减少水分子与钠反应这一干扰因素，钠应该是可以把铜置换出来。
1 金属钠置换出铜常见方案比较
结合近几年的相关资料，钠置换出铜的相关方案，大致可以分为2大类。
第一类：钠与铜在没有加水的情况下通过升温熔融实现钠置换出铜[3]，用这种方式置换出铜的原因是钠比铜活泼，该方案对于刚进入高一阶段的学生而言比较好理解。但这个方案最大的困难在于给固体加热使之融化时钠易与氧气反应，所以成功的关键在于提供一个隔绝空气的反应环境，或者在给固体加热时固体周围用保护气阻止空气与固体接触。
笔者选择了用保护气覆盖在固体表面给固体加热这一方式，在保护气的选择方面笔者分别用N2和CO2这两种气体进行了尝试，其中选用CO2做保护气更适合一些，因为实验室制取二氧化碳比较容易，而二氧化碳的密度比空气大，气体也更容易覆盖在固体的周围有效隔绝与氧气的接触。
该方案的优点是比较容易获得较多红色固体，但操作起来比较繁琐，高一学生自行完成实验较难获得成功。
第二类：利用各种条件，增大金属钠与铜离子的接触机会，其中比较典型的做法有，将硫酸铜溶液滴入到金属钠表面，钠因为过量使部分铜离子被置换出来；或者将钠用刺有小孔的铝箔包裹住投入到硫酸铜溶液中[4]，间接增加钠与铜离子的接触机会。
将硫酸铜溶液滴入钠表面的做法较难成功，只有选择了将浓度较大的硫酸铜溶液滴入面积较大的钠片后，偶尔才能看到大量黑色沉淀物之中有少量红色物质出现；采用铝箔包裹住钠投入到硫酸铜溶液实现置换出铜的方法操作起来亦有一定的难度和危险，钠的大小、孔的数量和大小、铝箔的大小及包裹方式等都会影响实验的成败。
与第一类方法不同，第二类置换出铜的方法只是减少了钠与水的反应机会，反应过程会出现大量其他颜色的沉淀，这些沉淀使得要观察到红色物质具有相当大的难度。
虽说上述相关实验已经多次进行了尝试，但产生的红色固体是否一定为铜？通过查阅相关资料和结合反应物成分分析，红色固体也可能是Cu2O。
为了鉴定红色固体的成分，笔者将得到的红色固体用清水洗干净后置于表面皿中（因为量不多，放入表面皿更易观察），分别尝试用浓氨水、浓盐酸来溶解表面皿中的红色固体，结果发现这些红色固体加入浓氨水或者浓盐酸后没任何变化，而实验室提供现成的Cu2O加入浓氨水或者浓盐酸是可以得到蓝色溶液的。实验最终是通过加入稀硝酸才将表面皿中的红色固体完全溶解并得到浅蓝色的溶液，这也进一步证实了用上述方法置换出铜确实可以实现。
有没有一种更简单、安全、现象也明显的操作方法实现钠置换出铜？
2 新实验方案设计
2.1 介质概念启示
有机化学教材中有关肥皂制备的实验给了笔者很大的启示，实验中为了促进油脂和氢氧化钠溶液充分混合加入了无水乙醇[5]。如果有一种类似于乙醇的介质能溶解铜盐，而介质本身不与钠发生反应，那不就有可能实现钠接触到铜离子了吗？
确定了基本方向后，笔者在百科里面进行了详尽的查找，发现有不少铜盐溶于不与钠反应的有机溶剂。
（1）溴化铜溶于丙酮、吡啶；
（2）氯化铜略溶于丙酮和乙酸乙酯；
（3）醋酸铜微溶于乙醚。
为了更清晰地观察实验，笔者将钠切成2厘米长和宽的钠片，选择了部分有机溶剂溶解铜盐，再将所得液体滴入到钠片上。
2.2 部分实验操作
2.3 实验分析
整个实验操作没有出现剧烈的反应和爆炸，实验现象也很明显，尤其是溶有溴化铜的丙酮溶液与钠片反应可以看到钠片出现一层相当明显的红色固体，这些物质会不会就是铜？为了验证这一想法，笔者再次取出上述实验得到的红色固体用水清洗后置于表面皿，分别用盐酸、浓氨水和稀硝酸进行检测。检测结果和预想完全一致――固体就是只溶于稀硝酸的金属铜。
至此，利用有机溶剂作为介质溶解铜盐后再与钠反应置换出铜单质的方案已经被证实可行。而且这种方式目前是所有方法中操作最简单、现象最明显、相对最安全的方式。
2.4 实验疑惑
实验虽然已经达到了预期的效果，但实验的成功让笔者产生了新的疑虑。 铜盐溶于这些有机溶剂后铜盐能电离吗？考虑到这种溶液可以与金属钠发生反应，笔者推测铜盐溶解后是可以电离出铜离子的（之前笔者一直认为盐只有溶于无机溶剂或者熔融下才能电离出离子）。
实验室提供的丙酮、乙酸乙酯均含有少量的杂质，这些杂质是否会导致金属钠置换出铜？
鉴于高中实验条件有限，一直未能找到不含有任何杂质的有机溶剂进行相应的实验，希望有条件的同行能继续研究下去，使得利用有机溶剂溶解铜盐与钠发生置换反应这一方案从理论到实践能更加成熟。
3 废弃物处理需谨慎
从表面上来看，相对其他方案，利用有机溶剂溶解铜盐与金属钠发生置换反应生成铜单质显然更安全，也更容易操作。
但这一方案有一潜在的危险，那就是实验结束后废弃物的处理。
将溶有铜盐的有机溶液滴入到钠片后，一般情况下钠并没被反应完，而实验结束后不可避免的就是进行废弃物处理，通常情况下都是将废弃物直接倒入废液缸中。但未反应完全的钠片不能直接倒入废液缸，一旦将钠片丢弃于废液缸，钠与水会剧烈反应甚至着火爆炸。建议将未反应完的钠片在石棉网上直接燃烧掉，或者将水直接滴到石棉网上的钠片上，让钠反应完全后将剩余固体物倒入废液缸。
结语：鉴于金属钠过于活泼，在实验中容易燃烧和爆炸，在教学中不建议学生课后单独通过自行实验探索钠置换出铜的方法；即使教师在课堂上演示金属钠置换出铜的新方法，也一定要对新方法了然于胸再进行操作，以免在课堂上发生安全事故。
参考文献：
[1]王磊主编.普通高中课程标准实验教科书?化学1（必修）[M].济南：山东科学技术出版社，2010：18.
[2]高等教育出版社，北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学，无机化学教研室.无机化学下册（第2版）[M].北京：高等教育出版社，1991：742.
[3]王胤琪.钠能从硫酸铜中置换出铜单质吗[J].化学教与学，2010，（12）：79～80.
[4]吴孙富，冯乡情，李春娥，朱红兵.钠不能从硫酸铜溶液置换出铜吗[J].中学化学，2004，（3）：23.
[5]曹居东，王磊，尹冬冬.普通高中课程标准实验教科书?有机化学基础[M].济南：山东科学技术出版社，2007：85.
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关键词：金属钠置换铜；实验方案比较；化学实验教学
文章编号：1005?6629（2014）3?0060?02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
置换反应是初中化学实验常见的反应，这类反应让学生对金属活泼性强的金属可以置换出金属活泼性弱的金属的认识较为深刻。鲁科版高中《化学1》第18页的金属钠与硫酸铜溶液的反应是学生进入高中阶段后第一个课外实验[1]，反应生成蓝色沉淀的结论显然难用初中所学置换反应的规律进行解释。在多年的教学实践中，学生就这个实验提到最多的是，金属钠为什么不能把铜置换出来？金属钠怎样才能置换出铜？
关于第一个问题，笔者比较赞同的观点是――钠是活泼的金属，从活泼性角度来分析，钠可以将溶液中的H+和Cu2+置换出来，虽然单独的铜离子比氢离子氧化性强，但在溶液中铜离子以水合铜离子形式存在[2]，金属钠在接触铜离子之前已先接触到了H+。所以将金属钠投入到水中后，钠主要是与水电离出来H+发生反应，而且钠与水反应太快会导致铜离子与钠基本上没有太多接触机会。
关于第二个问题，金属钠在什么情况下可以置换出铜？结合金属钠不能置换出铜的原因不难发现，阻碍钠置换出铜的关键问题在于水，如果能排除或者减少水分子与钠反应这一干扰因素，钠应该是可以把铜置换出来。
1 金属钠置换出铜常见方案比较
结合近几年的相关资料，钠置换出铜的相关方案，大致可以分为2大类。
第一类：钠与铜在没有加水的情况下通过升温熔融实现钠置换出铜[3]，用这种方式置换出铜的原因是钠比铜活泼，该方案对于刚进入高一阶段的学生而言比较好理解。但这个方案最大的困难在于给固体加热使之融化时钠易与氧气反应，所以成功的关键在于提供一个隔绝空气的反应环境，或者在给固体加热时固体周围用保护气阻止空气与固体接触。
笔者选择了用保护气覆盖在固体表面给固体加热这一方式，在保护气的选择方面笔者分别用N2和CO2这两种气体进行了尝试，其中选用CO2做保护气更适合一些，因为实验室制取二氧化碳比较容易，而二氧化碳的密度比空气大，气体也更容易覆盖在固体的周围有效隔绝与氧气的接触。
该方案的优点是比较容易获得较多红色固体，但操作起来比较繁琐，高一学生自行完成实验较难获得成功。
第二类：利用各种条件，增大金属钠与铜离子的接触机会，其中比较典型的做法有，将硫酸铜溶液滴入到金属钠表面，钠因为过量使部分铜离子被置换出来；或者将钠用刺有小孔的铝箔包裹住投入到硫酸铜溶液中[4]，间接增加钠与铜离子的接触机会。
将硫酸铜溶液滴入钠表面的做法较难成功，只有选择了将浓度较大的硫酸铜溶液滴入面积较大的钠片后，偶尔才能看到大量黑色沉淀物之中有少量红色物质出现；采用铝箔包裹住钠投入到硫酸铜溶液实现置换出铜的方法操作起来亦有一定的难度和危险，钠的大小、孔的数量和大小、铝箔的大小及包裹方式等都会影响实验的成败。
与第一类方法不同，第二类置换出铜的方法只是减少了钠与水的反应机会，反应过程会出现大量其他颜色的沉淀，这些沉淀使得要观察到红色物质具有相当大的难度。
虽说上述相关实验已经多次进行了尝试，但产生的红色固体是否一定为铜？通过查阅相关资料和结合反应物成分分析，红色固体也可能是Cu2O。
为了鉴定红色固体的成分，笔者将得到的红色固体用清水洗干净后置于表面皿中（因为量不多，放入表面皿更易观察），分别尝试用浓氨水、浓盐酸来溶解表面皿中的红色固体，结果发现这些红色固体加入浓氨水或者浓盐酸后没任何变化，而实验室提供现成的Cu2O加入浓氨水或者浓盐酸是可以得到蓝色溶液的。实验最终是通过加入稀硝酸才将表面皿中的红色固体完全溶解并得到浅蓝色的溶液，这也进一步证实了用上述方法置换出铜确实可以实现。
有没有一种更简单、安全、现象也明显的操作方法实现钠置换出铜？
2 新实验方案设计
2.1 介质概念启示
有机化学教材中有关肥皂制备的实验给了笔者很大的启示，实验中为了促进油脂和氢氧化钠溶液充分混合加入了无水乙醇[5]。如果有一种类似于乙醇的介质能溶解铜盐，而介质本身不与钠发生反应，那不就有可能实现钠接触到铜离子了吗？
确定了基本方向后，笔者在百科里面进行了详尽的查找，发现有不少铜盐溶于不与钠反应的有机溶剂。
（1）溴化铜溶于丙酮、吡啶；
（2）氯化铜略溶于丙酮和乙酸乙酯；
（3）醋酸铜微溶于乙醚。
为了更清晰地观察实验，笔者将钠切成2厘米长和宽的钠片，选择了部分有机溶剂溶解铜盐，再将所得液体滴入到钠片上。
2.2 部分实验操作
2.3 实验分析
整个实验操作没有出现剧烈的反应和爆炸，实验现象也很明显，尤其是溶有溴化铜的丙酮溶液与钠片反应可以看到钠片出现一层相当明显的红色固体，这些物质会不会就是铜？为了验证这一想法，笔者再次取出上述实验得到的红色固体用水清洗后置于表面皿，分别用盐酸、浓氨水和稀硝酸进行检测。检测结果和预想完全一致――固体就是只溶于稀硝酸的金属铜。
至此，利用有机溶剂作为介质溶解铜盐后再与钠反应置换出铜单质的方案已经被证实可行。而且这种方式目前是所有方法中操作最简单、现象最明显、相对最安全的方式。
2.4 实验疑惑
实验虽然已经达到了预期的效果，但实验的成功让笔者产生了新的疑虑。 铜盐溶于这些有机溶剂后铜盐能电离吗？考虑到这种溶液可以与金属钠发生反应，笔者推测铜盐溶解后是可以电离出铜离子的（之前笔者一直认为盐只有溶于无机溶剂或者熔融下才能电离出离子）。
实验室提供的丙酮、乙酸乙酯均含有少量的杂质，这些杂质是否会导致金属钠置换出铜？
鉴于高中实验条件有限，一直未能找到不含有任何杂质的有机溶剂进行相应的实验，希望有条件的同行能继续研究下去，使得利用有机溶剂溶解铜盐与钠发生置换反应这一方案从理论到实践能更加成熟。
3 废弃物处理需谨慎
从表面上来看，相对其他方案，利用有机溶剂溶解铜盐与金属钠发生置换反应生成铜单质显然更安全，也更容易操作。
但这一方案有一潜在的危险，那就是实验结束后废弃物的处理。
将溶有铜盐的有机溶液滴入到钠片后，一般情况下钠并没被反应完，而实验结束后不可避免的就是进行废弃物处理，通常情况下都是将废弃物直接倒入废液缸中。但未反应完全的钠片不能直接倒入废液缸，一旦将钠片丢弃于废液缸，钠与水会剧烈反应甚至着火爆炸。建议将未反应完的钠片在石棉网上直接燃烧掉，或者将水直接滴到石棉网上的钠片上，让钠反应完全后将剩余固体物倒入废液缸。
结语：鉴于金属钠过于活泼，在实验中容易燃烧和爆炸，在教学中不建议学生课后单独通过自行实验探索钠置换出铜的方法；即使教师在课堂上演示金属钠置换出铜的新方法，也一定要对新方法了然于胸再进行操作，以免在课堂上发生安全事故。
参考文献：
[1]王磊主编.普通高中课程标准实验教科书?化学1（必修）[M].济南：山东科学技术出版社，2010：18.
[2]高等教育出版社，北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学，无机化学教研室.无机化学下册（第2版）[M].北京：高等教育出版社，1991：742.
[3]王胤琪.钠能从硫酸铜中置换出铜单质吗[J].化学教与学，2010，（12）：79～80.
[4]吴孙富，冯乡情，李春娥，朱红兵.钠不能从硫酸铜溶液置换出铜吗[J].中学化学，2004，（3）：23.
[5]曹居东，王磊，尹冬冬.普通高中课程标准实验教科书?有机化学基础[M].济南：山东科学技术出版社，2007：85.