金屬鈉置換出銅的幾種實(shí)驗(yàn)方案比較

舒常青

摘要：從教材中鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)的內(nèi)容談起，分析鈉不能置換出銅的原因；從思考、文獻(xiàn)和實(shí)證的角度探討鈉可以置換出銅的條件，對各種置換出銅的方式的操作難度、現(xiàn)象、安全性等方面進(jìn)行了實(shí)證和比較。

關(guān)鍵詞：金屬鈉置換銅；實(shí)驗(yàn)方案比較；化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

文章編號：1005–6629（2014）3–0060–02 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

置換反應(yīng)是初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)常見的反應(yīng)，這類反應(yīng)讓學(xué)生對金屬活潑性強(qiáng)的金屬可以置換出金屬活潑性弱的金屬的認(rèn)識較為深刻。魯科版高中《化學(xué)1》第18頁的金屬鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)是學(xué)生進(jìn)入高中階段后第一個課外實(shí)驗(yàn)[1]，反應(yīng)生成藍(lán)色沉淀的結(jié)論顯然難用初中所學(xué)置換反應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行解釋。在多年的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生就這個實(shí)驗(yàn)提到最多的是，金屬鈉為什么不能把銅置換出來？金屬鈉怎樣才能置換出銅？

關(guān)于第一個問題，筆者比較贊同的觀點(diǎn)是——鈉是活潑的金屬，從活潑性角度來分析，鈉可以將溶液中的H+和Cu2+置換出來，雖然單獨(dú)的銅離子比氫離子氧化性強(qiáng)，但在溶液中銅離子以水合銅離子形式存在[2]，金屬鈉在接觸銅離子之前已先接觸到了H+。所以將金屬鈉投入到水中后，鈉主要是與水電離出來H+發(fā)生反應(yīng)，而且鈉與水反應(yīng)太快會導(dǎo)致銅離子與鈉基本上沒有太多接觸機(jī)會。

關(guān)于第二個問題，金屬鈉在什么情況下可以置換出銅？結(jié)合金屬鈉不能置換出銅的原因不難發(fā)現(xiàn)，阻礙鈉置換出銅的關(guān)鍵問題在于水，如果能排除或者減少水分子與鈉反應(yīng)這一干擾因素，鈉應(yīng)該是可以把銅置換出來。

1 金屬鈉置換出銅常見方案比較

結(jié)合近幾年的相關(guān)資料，鈉置換出銅的相關(guān)方案，大致可以分為2大類。

第一類：鈉與銅在沒有加水的情況下通過升溫熔融實(shí)現(xiàn)鈉置換出銅[3]，用這種方式置換出銅的原因是鈉比銅活潑，該方案對于剛進(jìn)入高一階段的學(xué)生而言比較好理解。但這個方案最大的困難在于給固體加熱使之融化時鈉易與氧氣反應(yīng)，所以成功的關(guān)鍵在于提供一個隔絕空氣的反應(yīng)環(huán)境，或者在給固體加熱時固體周圍用保護(hù)氣阻止空氣與固體接觸。

筆者選擇了用保護(hù)氣覆蓋在固體表面給固體加熱這一方式，在保護(hù)氣的選擇方面筆者分別用N2和CO2這兩種氣體進(jìn)行了嘗試，其中選用CO2做保護(hù)氣更適合一些，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室制取二氧化碳比較容易，而二氧化碳的密度比空氣大，氣體也更容易覆蓋在固體的周圍有效隔絕與氧氣的接觸。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是比較容易獲得較多紅色固體，但操作起來比較繁瑣，高一學(xué)生自行完成實(shí)驗(yàn)較難獲得成功。

第二類：利用各種條件，增大金屬鈉與銅離子的接觸機(jī)會，其中比較典型的做法有，將硫酸銅溶液滴入到金屬鈉表面，鈉因?yàn)檫^量使部分銅離子被置換出來；或者將鈉用刺有小孔的鋁箔包裹住投入到硫酸銅溶液中[4]，間接增加鈉與銅離子的接觸機(jī)會。

將硫酸銅溶液滴入鈉表面的做法較難成功，只有選擇了將濃度較大的硫酸銅溶液滴入面積較大的鈉片后，偶爾才能看到大量黑色沉淀物之中有少量紅色物質(zhì)出現(xiàn)；采用鋁箔包裹住鈉投入到硫酸銅溶液實(shí)現(xiàn)置換出銅的方法操作起來亦有一定的難度和危險，鈉的大小、孔的數(shù)量和大小、鋁箔的大小及包裹方式等都會影響實(shí)驗(yàn)的成敗。

與第一類方法不同，第二類置換出銅的方法只是減少了鈉與水的反應(yīng)機(jī)會，反應(yīng)過程會出現(xiàn)大量其他顏色的沉淀，這些沉淀使得要觀察到紅色物質(zhì)具有相當(dāng)大的難度。

雖說上述相關(guān)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)多次進(jìn)行了嘗試，但產(chǎn)生的紅色固體是否一定為銅？通過查閱相關(guān)資料和結(jié)合反應(yīng)物成分分析，紅色固體也可能是Cu2O。

為了鑒定紅色固體的成分，筆者將得到的紅色固體用清水洗干凈后置于表面皿中（因?yàn)榱坎欢?，放入表面皿更易觀察），分別嘗試用濃氨水、濃鹽酸來溶解表面皿中的紅色固體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些紅色固體加入濃氨水或者濃鹽酸后沒任何變化，而實(shí)驗(yàn)室提供現(xiàn)成的Cu2O加入濃氨水或者濃鹽酸是可以得到藍(lán)色溶液的。實(shí)驗(yàn)最終是通過加入稀硝酸才將表面皿中的紅色固體完全溶解并得到淺藍(lán)色的溶液，這也進(jìn)一步證實(shí)了用上述方法置換出銅確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)。

有沒有一種更簡單、安全、現(xiàn)象也明顯的操作方法實(shí)現(xiàn)鈉置換出銅？

2 新實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 介質(zhì)概念啟示

有機(jī)化學(xué)教材中有關(guān)肥皂制備的實(shí)驗(yàn)給了筆者很大的啟示，實(shí)驗(yàn)中為了促進(jìn)油脂和氫氧化鈉溶液充分混合加入了無水乙醇[5]。如果有一種類似于乙醇的介質(zhì)能溶解銅鹽，而介質(zhì)本身不與鈉發(fā)生反應(yīng)，那不就有可能實(shí)現(xiàn)鈉接觸到銅離子了嗎？

確定了基本方向后，筆者在百科里面進(jìn)行了詳盡的查找，發(fā)現(xiàn)有不少銅鹽溶于不與鈉反應(yīng)的有機(jī)溶劑。

（1）溴化銅溶于丙酮、吡啶；

（2）氯化銅略溶于丙酮和乙酸乙酯；

（3）醋酸銅微溶于乙醚。

為了更清晰地觀察實(shí)驗(yàn)，筆者將鈉切成2厘米長和寬的鈉片，選擇了部分有機(jī)溶劑溶解銅鹽，再將所得液體滴入到鈉片上。

2.2 部分實(shí)驗(yàn)操作

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

整個實(shí)驗(yàn)操作沒有出現(xiàn)劇烈的反應(yīng)和爆炸，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也很明顯，尤其是溶有溴化銅的丙酮溶液與鈉片反應(yīng)可以看到鈉片出現(xiàn)一層相當(dāng)明顯的紅色固體，這些物質(zhì)會不會就是銅？為了驗(yàn)證這一想法，筆者再次取出上述實(shí)驗(yàn)得到的紅色固體用水清洗后置于表面皿，分別用鹽酸、濃氨水和稀硝酸進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果和預(yù)想完全一致——固體就是只溶于稀硝酸的金屬銅。

至此，利用有機(jī)溶劑作為介質(zhì)溶解銅鹽后再與鈉反應(yīng)置換出銅單質(zhì)的方案已經(jīng)被證實(shí)可行。而且這種方式目前是所有方法中操作最簡單、現(xiàn)象最明顯、相對最安全的方式。

2.4 實(shí)驗(yàn)疑惑

實(shí)驗(yàn)雖然已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的效果，但實(shí)驗(yàn)的成功讓筆者產(chǎn)生了新的疑慮。

銅鹽溶于這些有機(jī)溶劑后銅鹽能電離嗎？考慮到這種溶液可以與金屬鈉發(fā)生反應(yīng)，筆者推測銅鹽溶解后是可以電離出銅離子的（之前筆者一直認(rèn)為鹽只有溶于無機(jī)溶劑或者熔融下才能電離出離子）。

實(shí)驗(yàn)室提供的丙酮、乙酸乙酯均含有少量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)是否會導(dǎo)致金屬鈉置換出銅？

鑒于高中實(shí)驗(yàn)條件有限，一直未能找到不含有任何雜質(zhì)的有機(jī)溶劑進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，希望有條件的同行能繼續(xù)研究下去，使得利用有機(jī)溶劑溶解銅鹽與鈉發(fā)生置換反應(yīng)這一方案從理論到實(shí)踐能更加成熟。

3 廢棄物處理需謹(jǐn)慎

從表面上來看，相對其他方案，利用有機(jī)溶劑溶解銅鹽與金屬鈉發(fā)生置換反應(yīng)生成銅單質(zhì)顯然更安全，也更容易操作。

但這一方案有一潛在的危險，那就是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后廢棄物的處理。

將溶有銅鹽的有機(jī)溶液滴入到鈉片后，一般情況下鈉并沒被反應(yīng)完，而實(shí)驗(yàn)結(jié)束后不可避免的就是進(jìn)行廢棄物處理，通常情況下都是將廢棄物直接倒入廢液缸中。但未反應(yīng)完全的鈉片不能直接倒入廢液缸，一旦將鈉片丟棄于廢液缸，鈉與水會劇烈反應(yīng)甚至著火爆炸。建議將未反應(yīng)完的鈉片在石棉網(wǎng)上直接燃燒掉，或者將水直接滴到石棉網(wǎng)上的鈉片上，讓鈉反應(yīng)完全后將剩余固體物倒入廢液缸。

結(jié)語：鑒于金屬鈉過于活潑，在實(shí)驗(yàn)中容易燃燒和爆炸，在教學(xué)中不建議學(xué)生課后單獨(dú)通過自行實(shí)驗(yàn)探索鈉置換出銅的方法；即使教師在課堂上演示金屬鈉置換出銅的新方法，也一定要對新方法了然于胸再進(jìn)行操作，以免在課堂上發(fā)生安全事故。

參考文獻(xiàn)：

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[2]高等教育出版社，北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)，無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)下冊（第2版）[M].北京：高等教育出版社，1991：742.

[3]王胤琪.鈉能從硫酸銅中置換出銅單質(zhì)嗎[J].化學(xué)教與學(xué)，2010，（12）：79～80.

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