硫酸铜与氢氧化钠溶液反应条件探究
2022-06-08
摘要：探究了影响硫酸铜和氢氧化钠溶液反应的两个主要因素：氢氧化钠的质量分数、反应物的滴加顺序，最终总结出硫酸铜和氢氧化钠溶液反应的适宜实验条件。同时分析讨论了探究过程中出现的意外现象。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：硫酸铜与氢氧化钠溶液的反应；实验条件探究；化学实验教学
文章编号：1005–6629（2014）2–0049–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
人教版九年级化学教材中有这样一个实验[1]：2 mL氢氧化钠溶液中滴加硫酸铜溶液，观察现象；再用酒精灯加热，观察现象。这个实验似乎很简单，实验预期现象为产生蓝色絮状氢氧化铜沉淀，加热后氢氧化铜分解生成黑色氧化铜。但从文献[2～4]中发现，硫酸铜和氢氧化钠的用量不同，发生的反应不同，通常有三种情况：
教材中设定该实验的目的是让学生掌握基本的实验操作，学会观察、记录实验现象，初中阶段实验教学中应避免（1）、（3）两种复杂情况的出现。而教材中并无对反应物质量分数的规定，导致硫酸铜和氢氧化钠的用量不确定。中学实验中硫酸铜溶液的质量分数通常为2%，因此固定硫酸铜溶液的质量分数为2%，通过改变影响实验的两个主要因素：氢氧化钠的质量分数、反应物的滴加顺序来探究实验的适宜条件，以期为教师实验教学提供参考。
1 实验内容
（1）配制2%的硫酸铜溶液，2%、4%、6%、8%、10%、20%的氢氧化钠溶液。
（2）A组：取10支试管编号①～⑩，分别装2 mL 2%的氢氧化钠溶液，再依次滴入2%的硫酸铜溶液1～10滴，从滴加瞬间、振荡、静置、水浴加热四个时刻观察并记录实验现象。
B组：将A组试剂反滴，即向10支装有2 mL 2%的硫酸铜溶液试管中依次滴加1～10滴2%氢氧化钠溶液。
（3）依次用4%、6%、8%、10%、20%的氢氧化钠溶液，重复第（2）步操作。
2 实验结果及讨论
2.1 氢氧化钠溶液中滴加2%的硫酸铜溶液
从表1看出，2%～4%的氢氧化钠溶液中滴加1～10滴2%的硫酸铜溶液都生成Cu（OH）2沉淀；2%～8%的氢氧化钠溶液中滴加3～10滴2%的硫酸铜溶液都生成Cu（OH）2沉淀。实验时滴加1～2滴硫酸铜溶液，生成的蓝色Cu（OH）2沉淀少，最好滴加3滴以上。
此外，在A组实验中还出现两个意外现象，下面针对这两个现象展开讨论：
（1）在2 mL 2%氢氧化钠溶液中滴加2～5滴2%硫酸铜溶液，振荡静置后出现少量绿色沉淀。另外，笔者做过4 mL 0.5 mol/L氢氧化钠分别和3.0、3.5、4.0、4.5 mL 0.5 mol/L硫酸铜溶液（质量分数：NaOH～2.0%；CuSO4～7.4%）混合未振荡静置的实验，出现蓝色絮状、浅蓝色、绿色三种沉淀。在此出现的绿色沉淀是何物质，推测有以下两种情况：①氢氧化铜与溶解在溶液中的二氧化碳生成绿色的碱式碳酸铜沉淀；②碱式硫酸铜属于碱式盐，通式为Cux（OH）ySO4·nH2O，绿色沉淀可能是碱式硫酸铜的一种。
（2）在2 mL 20%氢氧化钠溶液中滴加2%硫酸铜溶液，未振荡，上层生成蓝色絮状沉淀，中层形成亮蓝色环，下层是未参与反应的无色氢氧化钠的溶液。氢氧化钠溶液浓度高、黏度大，硫酸铜溶液滴入后与上层氢氧化钠生成蓝色Cu（OH）2絮状沉淀，沉淀逐步向下扩散与中层高浓度的氢氧化钠生成亮蓝色Na2[Cu（OH）4]溶液。理论上推测，再滴加适量的硫酸铜溶液使上层硫酸铜过量，静置一段时间，上层会出现浅蓝色的Cu4（OH）6SO4沉淀层，从而在一个试管中依次呈现浅蓝色、蓝色、亮蓝色三个色层，让学生形象直观地看出氢氧化钠与硫酸铜能发生三种反应，因而此实验具有进一步挖掘的价值。
2.2 2%的硫酸铜溶液中滴加氢氧化钠溶液
从表2看出，2%的硫酸铜溶液中滴加1～10滴20%氢氧化钠溶液都生成Cu（OH）2沉淀；2%的硫酸铜溶液中滴加3～10滴6%～20%的氢氧化钠溶液都生成Cu（OH）2沉淀。
此外，在2 mL的2%的硫酸铜溶液中滴加4%的氢氧化钠溶液5滴，生成Cu（OH）2沉淀和浅蓝色的碱式硫酸铜沉淀，Cu（OH）2沉淀分解生成黑色的CuO，而碱式硫酸铜水浴加热不分解；滴加6滴，生成较多的Cu（OH）2沉淀和较少的浅蓝色的碱式硫酸铜沉淀，加热后生成的黑色的CuO较多，不分解的浅蓝色的碱式硫酸铜较少，较多黑色和较少浅蓝色综合呈灰黑色。在2 mL 2%的硫酸铜溶液中滴加2%的氢氧化钠溶液10滴，加热后也呈灰黑色，表明有少量浅蓝色的碱式硫酸铜未分解。
3 实验结论
综上所述，得出如下结论：
（1）2 mL的氢氧化钠溶液中滴加1～10滴2%的硫酸铜溶液，都只生成蓝色Cu（OH）2沉淀，氢氧化钠溶液的质量分数应为2%～4%；3～10滴都只生成蓝色Cu（OH）2沉淀，氢氧化钠的质量分数应为2%～8%。
（2）2 mL 2%的硫酸铜溶液中滴加1～10滴氢氧化钠溶液，都只生成蓝色Cu（OH）2沉淀，氢氧化钠溶液的质量分数应为20%；3～10滴都只生成蓝色Cu（OH）2沉淀，氢氧化钠的质量分数应为6%～20%。
（3）对于滴加顺序，取决于氢氧化钠溶液的质量分数的大小。当氢氧化钠溶液的质量分数较小时，则2 mL氢氧化钠溶液中滴加2%硫酸铜溶液；当质量分数较大时，则2 mL 2%的硫酸铜溶液中滴加氢氧化钠溶液。
参考文献：
[1]胡美玲主编.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2006：28
[2]段昌平.几个被误读的实验现象[J].化学教学，2012，（1）：79～80.
[3]朱鹏飞，马宏佳，杜静.利用传感技术对硫酸铜与氢氧化钠反应的实验研究[J].中学化学教学参考，2008，（9）：34～36.
[4]刘怀乐.对Cu（OH）2制备实验的研究[J].化学教育，2004，（10）：53.
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关键词：硫酸铜与氢氧化钠溶液的反应；实验条件探究；化学实验教学
文章编号：1005–6629（2014）2–0049–02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
人教版九年级化学教材中有这样一个实验[1]：2 mL氢氧化钠溶液中滴加硫酸铜溶液，观察现象；再用酒精灯加热，观察现象。这个实验似乎很简单，实验预期现象为产生蓝色絮状氢氧化铜沉淀，加热后氢氧化铜分解生成黑色氧化铜。但从文献[2～4]中发现，硫酸铜和氢氧化钠的用量不同，发生的反应不同，通常有三种情况：
教材中设定该实验的目的是让学生掌握基本的实验操作，学会观察、记录实验现象，初中阶段实验教学中应避免（1）、（3）两种复杂情况的出现。而教材中并无对反应物质量分数的规定，导致硫酸铜和氢氧化钠的用量不确定。中学实验中硫酸铜溶液的质量分数通常为2%，因此固定硫酸铜溶液的质量分数为2%，通过改变影响实验的两个主要因素：氢氧化钠的质量分数、反应物的滴加顺序来探究实验的适宜条件，以期为教师实验教学提供参考。
1 实验内容
（1）配制2%的硫酸铜溶液，2%、4%、6%、8%、10%、20%的氢氧化钠溶液。
（2）A组：取10支试管编号①～⑩，分别装2 mL 2%的氢氧化钠溶液，再依次滴入2%的硫酸铜溶液1～10滴，从滴加瞬间、振荡、静置、水浴加热四个时刻观察并记录实验现象。
B组：将A组试剂反滴，即向10支装有2 mL 2%的硫酸铜溶液试管中依次滴加1～10滴2%氢氧化钠溶液。
（3）依次用4%、6%、8%、10%、20%的氢氧化钠溶液，重复第（2）步操作。
2 实验结果及讨论
2.1 氢氧化钠溶液中滴加2%的硫酸铜溶液
从表1看出，2%～4%的氢氧化钠溶液中滴加1～10滴2%的硫酸铜溶液都生成Cu（OH）2沉淀；2%～8%的氢氧化钠溶液中滴加3～10滴2%的硫酸铜溶液都生成Cu（OH）2沉淀。实验时滴加1～2滴硫酸铜溶液，生成的蓝色Cu（OH）2沉淀少，最好滴加3滴以上。
此外，在A组实验中还出现两个意外现象，下面针对这两个现象展开讨论：
（1）在2 mL 2%氢氧化钠溶液中滴加2～5滴2%硫酸铜溶液，振荡静置后出现少量绿色沉淀。另外，笔者做过4 mL 0.5 mol/L氢氧化钠分别和3.0、3.5、4.0、4.5 mL 0.5 mol/L硫酸铜溶液（质量分数：NaOH～2.0%；CuSO4～7.4%）混合未振荡静置的实验，出现蓝色絮状、浅蓝色、绿色三种沉淀。在此出现的绿色沉淀是何物质，推测有以下两种情况：①氢氧化铜与溶解在溶液中的二氧化碳生成绿色的碱式碳酸铜沉淀；②碱式硫酸铜属于碱式盐，通式为Cux（OH）ySO4·nH2O，绿色沉淀可能是碱式硫酸铜的一种。
（2）在2 mL 20%氢氧化钠溶液中滴加2%硫酸铜溶液，未振荡，上层生成蓝色絮状沉淀，中层形成亮蓝色环，下层是未参与反应的无色氢氧化钠的溶液。氢氧化钠溶液浓度高、黏度大，硫酸铜溶液滴入后与上层氢氧化钠生成蓝色Cu（OH）2絮状沉淀，沉淀逐步向下扩散与中层高浓度的氢氧化钠生成亮蓝色Na2[Cu（OH）4]溶液。理论上推测，再滴加适量的硫酸铜溶液使上层硫酸铜过量，静置一段时间，上层会出现浅蓝色的Cu4（OH）6SO4沉淀层，从而在一个试管中依次呈现浅蓝色、蓝色、亮蓝色三个色层，让学生形象直观地看出氢氧化钠与硫酸铜能发生三种反应，因而此实验具有进一步挖掘的价值。
2.2 2%的硫酸铜溶液中滴加氢氧化钠溶液
从表2看出，2%的硫酸铜溶液中滴加1～10滴20%氢氧化钠溶液都生成Cu（OH）2沉淀；2%的硫酸铜溶液中滴加3～10滴6%～20%的氢氧化钠溶液都生成Cu（OH）2沉淀。
此外，在2 mL的2%的硫酸铜溶液中滴加4%的氢氧化钠溶液5滴，生成Cu（OH）2沉淀和浅蓝色的碱式硫酸铜沉淀，Cu（OH）2沉淀分解生成黑色的CuO，而碱式硫酸铜水浴加热不分解；滴加6滴，生成较多的Cu（OH）2沉淀和较少的浅蓝色的碱式硫酸铜沉淀，加热后生成的黑色的CuO较多，不分解的浅蓝色的碱式硫酸铜较少，较多黑色和较少浅蓝色综合呈灰黑色。在2 mL 2%的硫酸铜溶液中滴加2%的氢氧化钠溶液10滴，加热后也呈灰黑色，表明有少量浅蓝色的碱式硫酸铜未分解。
3 实验结论
综上所述，得出如下结论：
（1）2 mL的氢氧化钠溶液中滴加1～10滴2%的硫酸铜溶液，都只生成蓝色Cu（OH）2沉淀，氢氧化钠溶液的质量分数应为2%～4%；3～10滴都只生成蓝色Cu（OH）2沉淀，氢氧化钠的质量分数应为2%～8%。
（2）2 mL 2%的硫酸铜溶液中滴加1～10滴氢氧化钠溶液，都只生成蓝色Cu（OH）2沉淀，氢氧化钠溶液的质量分数应为20%；3～10滴都只生成蓝色Cu（OH）2沉淀，氢氧化钠的质量分数应为6%～20%。
（3）对于滴加顺序，取决于氢氧化钠溶液的质量分数的大小。当氢氧化钠溶液的质量分数较小时，则2 mL氢氧化钠溶液中滴加2%硫酸铜溶液；当质量分数较大时，则2 mL 2%的硫酸铜溶液中滴加氢氧化钠溶液。
参考文献：
[1]胡美玲主编.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2006：28
[2]段昌平.几个被误读的实验现象[J].化学教学，2012，（1）：79～80.
[3]朱鹏飞，马宏佳，杜静.利用传感技术对硫酸铜与氢氧化钠反应的实验研究[J].中学化学教学参考，2008，（9）：34～36.
[4]刘怀乐.对Cu（OH）2制备实验的研究[J].化学教育，2004，（10）：53.