再探H2O2能否氧化單質(zhì)銅

陸燕海+姚紅英

摘要：針對同行撰文中“單質(zhì)銅不能被H2O2直接氧化但在加熱時可促其分解”的觀點，設計實驗探究了該反應，并得出了新認識，即單質(zhì)銅在未酸化的H2O2溶液中能被氧化成Cu2O，而Cu2O會進一步催化分解H2O2。

關鍵詞：過氧化氫氧化單質(zhì)銅；實驗探究；化學實驗教學

文章編號：1005–6629（2014）6–0052–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

《化學教學》2013年7期第48頁，有同行以“H2O2能氧化銅嗎”為題對不同條件下單質(zhì)銅與雙氧水的反應情況進行了研究與分析（以下簡稱原文[1]）。我們循原文作者的思路去思考，去實踐，去探索，現(xiàn)把認為是有益的一些收獲付諸文字，以期與大家作進一步的交流與探討。

1 原文觀點及證據(jù)

1.1 原文主要觀點

銅在酸性條件下可被H2O2氧化，但H2O2不能將單質(zhì)銅直接氧化。銅雖然在通常情況下不能加快H2O2分解，但在加熱的情況下可加快其分解，且分解速率與溶液溫度成正比。

1.2 部分實驗證據(jù)

1.2.1 將銅絲置于H2O2溶液中

實驗1 取30%的H2O2溶液10 mL于—支潔凈試管中，將光亮銅絲置于其中，沒有看到“銅絲表面變黑”的現(xiàn)象，甚至放一天、兩天、半個月，浸在溶液中的銅絲仍然光亮，溶液仍然無色。

實驗2 取30%的H2O2溶液各10 mL于兩支潔凈試管中，分別將光亮的一端圈成螺旋狀長細銅絲置于其中，然后都用酒精燈緩慢加熱試管，并用溫度計測量液體溫度。觀察到當溶液溫度升至30℃時銅絲表面開始產(chǎn)生氣泡，隨溫度升高（80℃，并保持這個溫度）產(chǎn)生氣泡越來越多。此時，將一支試管中的銅絲抽出（銅絲光亮），溶液中無氣泡產(chǎn)生，再將銅絲插入后，銅絲表面又有氣泡產(chǎn)生。隨后又將這支試管停止加熱，隨著溶液溫度降低，產(chǎn)生氣泡速率減慢，直至停止。另一支持續(xù)加熱的試管，約經(jīng)3～5分鐘后，銅絲表面產(chǎn)生氣泡明顯減少，直至反應停止，此時浸入溶液中的銅絲表面仍然光亮，反應停止后所得溶液均無色透明。

1.2.2 將CuSO4置于H2O2溶液中

實驗3 取30%的H2O2溶液10 mL于一支潔凈試管中，將少量藍色硫酸銅晶體加入其中，晶體溶解，溶液呈藍色，除此外沒有明顯反應現(xiàn)象。再給溶液加熱（至80℃）也無明顯反應現(xiàn)象，滴加稀硫酸時有少量氣泡產(chǎn)生。

2 實證探索與分析

2.1 實證探索

2.1.1 銅絲與H2O2溶液

單質(zhì)銅在酸性條件下能與H2O2溶液反應且反應比較劇烈，但未酸化時銅絲在30%的H2O2溶液中就能久置而仍保持光亮？實驗溫度對銅與H2O2溶液的反應會有怎樣的影響？因生產(chǎn)、儲存、操作等因素，光亮的銅絲表面很有可能存在油污、氧化物等，原文未提及實驗時是否進行過預處理。

實驗4 取一段光亮銅絲（由北京誠盛達電線電纜廠生產(chǎn)的單股純銅2.5平方BV線剝?nèi)?，下同），砂紙打磨，然后用蘸有無水酒精的脫脂棉擦拭干凈。室溫下晾置片刻后，按圖1插入盛有10 mL 30%H2O2溶液的潔凈試管中使B部分浸入溶液。起初無明顯變化，約15s后溶液中B處銅絲表面開始附著少量細小氣泡并逐漸增多，然后平緩而持續(xù)地進行。抽出銅絲，溶液中不再有氣泡，再將銅絲插入后，銅絲表面又有氣泡產(chǎn)生。取出銅絲，將銅絲B部分與A部分比較，光澤略顯暗淡，顏色呈棕紅色（A處為紅色），反應后的溶液仍為無色。

實驗5 將銅導線（北京誠盛達電線電纜廠生產(chǎn)，單股純銅2.5平方BV線）剝?nèi)ヒ欢送馄?，露出約3cm長的銅絲并按實驗4進行預處理。然后按圖2連接裝置，具支試管和小試管中分別加入適量30%H2O2溶液和蒸餾水。先預通一段時間N2（用NH4Cl和NaNO2濃溶液共熱制備后水洗），再將導線露出的銅絲部分插入雙氧水中并持續(xù)緩慢通N2，實驗現(xiàn)象與實驗4相同。通N2可排盡裝置中的空氣并及時帶走由H2O2分解產(chǎn)生的O2。

實驗6 按實驗4操作對銅絲預處理，插入盛有10 mL 30%H2O2溶液的潔凈試管，并將試管置于冰水浴中，約3分鐘后能觀察到銅絲表面附著有細小氣泡，但氣泡生成速率較實驗4要慢得多。用酒精燈加熱水浴，隨水浴溫度的慢慢升高，銅絲表面產(chǎn)生氣泡的速度也逐漸加快，至70℃時已非常快速，取出銅絲氣泡又消失歸于平靜。若圖1裝置將水浴加熱改為酒精燈直接微熱數(shù)秒鐘，銅絲氣泡表面會立即快速產(chǎn)生氣泡，試管壁逐漸發(fā)熱、發(fā)燙，片刻后試管內(nèi)氣泡洶涌。

需要注意的是，實驗6中只可在啟動反應階段用酒精燈微熱片刻，不可持續(xù)加熱，否則極易因反應過于劇烈致使液體噴涌沖出試管。

實驗7 將實驗4、5和6結束后的銅絲用蒸餾水沖洗后，剪取數(shù)段浸入H2O2部分的銅絲（如圖1中B段），放入盛有2～3 mL濃氨水的試管中，不斷振蕩，溶液顏色在較短時間內(nèi)即可從無色漸變?yōu)榈{色、藍色。換用A部分銅絲和氧化銅重復上述操作以對照，短時間內(nèi)不會出現(xiàn)以上現(xiàn)象。

實驗8 室溫下，向盛有10 mL 30%的H2O2溶液的兩支試管中分別加少量Cu2O（上海華亭化工廠有限公司生產(chǎn)）、CuO（浙江省衢州市花園化工試劑廠生產(chǎn)），兩試管均會立即出現(xiàn)細小氣泡，但前者速度較后者更快。

實驗表明，光亮銅絲置于H2O2溶液中時，雖無“銅絲表面變黑”的現(xiàn)象，但一段時間后明顯可以平緩地生成氣泡，且銅絲表面色澤也并非不變。由于Cu2O在濃氨水中能生成無色的[Cu（NH3）2]+，[Cu（NH3）2]+易繼續(xù)氧化成藍色的[Cu（NH3）4]2+，即：

Cu2O+4NH3·H2O 2[Cu（NH3）2]++2OH-+3H2O 2[Cu（NH3）2]++4NH3·H2O+1/2O2=2[Cu（NH3）4]2++2OH-+3H2O

通過實驗7、8現(xiàn)象說明，在未酸化的H2O2溶液中銅絲表面有少量Cu2O生成（限于本校實驗條件，未能對銅絲表面物質(zhì)作進一步測定分析），而Cu2O對H2O2的分解具有較好的催化能力，混合液溫度的升高有利于提升Cu2O的催化能力，加快H2O2的分解速度。

2.1.2 CuSO4與H2O2溶液

眾所周知，很多含過渡金屬離子的物質(zhì)（如MnO2、FeCl3、AgNO3等）對H2O2都具有催化活性，而原文則稱只有含Cu2+的酸性溶液可加快H2O2分解。難道硫酸銅晶體在H2O2溶液中只溶解、不催化？而硫酸銅溶液也只對酸化的雙氧水才會有催化效果嗎？

實驗9 室溫時，取30%的H2O2溶液10 mL于一支潔凈試管中，將米粒大小的一粒藍色硫酸銅晶體加入其中，晶體表面立即產(chǎn)生細小氣泡，且快速、平穩(wěn)、持續(xù)，繼續(xù)向以上試管滴加幾滴稀H2SO4酸化，氣泡生成速率沒有明顯改變。

實驗10 室溫下，向A、B兩支潔凈試管中分別加入10 mL 30%的H2O2溶液，然后A試管滴加3～5滴10%的CuSO4溶液，輕輕振蕩，溶液中出現(xiàn)大量無色氣泡，繼續(xù)滴加幾滴稀H2SO4酸化，氣泡無明顯變化；向B試管滴加幾滴稀H2SO4溶液，試管中溶液無明顯變化。

實驗11 向兩支盛有10 mL 30%H2O2溶液的潔凈試管中分別加入少量CuSO4晶體、CuSO4溶液，均出現(xiàn)大量無色氣泡，再分別用酒精燈加熱片刻，H2O2快速分解，試管內(nèi)氣泡洶涌（注意！應用試管夾夾持試管并控制好酒精燈加熱時間，以防反應過于劇烈而發(fā)生液體噴濺傷人）。

由此可見，無論是CuSO4晶體還是CuSO4溶液，無論是室溫下還是加熱時，無論是否滴加稀H2SO4酸化，Cu2+對H2O2的分解都表現(xiàn)出了很好的催化活性。至于稀硫酸的加入，本身對H2O2分解并沒有催化能力，但在H+濃度較大且加熱時會使H2O2的穩(wěn)定性減弱。

2.2 理論分析

2.2.1 H2O2氧化單質(zhì)銅

對于H2O2氧化單質(zhì)銅可能的反應：①Cu（s）+H2O2（l）=CuO（s）+H2O（l）；②2Cu（s）+H2O2（l）=Cu2O（s）+H2O（l）。查閱相關化學物質(zhì)的熱力學數(shù)據(jù)，結果見下表1。由于ΔfGθ受溫度影響大，而ΔfHθ、Sθ則變化較小，在普通化學中可認為保持不變，各物質(zhì)在298K的標準生成熱及熵值，對其他溫度也適用。因此，采用ΔfHθ298、Sθ298進行理論計算較合適。

對于反應①：ΔrHθm=ΣΔfHθ298（生）-ΣΔfHθ298（反）=-251.918 kJ·mol-1，ΔrSθm=ΣΔrHθ298（生）=ΣΔrHθ298（反）=4.684 J·K-1·mol-1；同理，反應②的ΔrHθm=-213.408 kJ·mol-1，ΔrSθm=50.182 J·K-1·mol-1。由Gibbs-Holmholtz方程（ΔrGθm=ΔrHθm-TΔrSθm）可知，上述兩個反應因ΔrHθm<0、ΔrSθm>0，在任何溫度下都能自發(fā)進行，在常溫下發(fā)生的熱力學趨勢也都很大。

從氧化還原的電極電勢角度看，H2O2在非酸性條件下氧化性較弱[H2O2+2e-=2OH-，Eθ（V）：0.88]，在與單質(zhì)銅混合時，銅生成Cu2O、CuO的電極反應及電極電勢分別為：Cu2O+H2O+e-=Cu+2OH-，Eθ（V）：-0.358；Cu2++2e-=Cu，Eθ（V）：0.337 [3]。不難發(fā)現(xiàn)，H2O2將Cu氧化為Cu2O比生成CuO（或Cu2+）要容易得多。

綜上，我們有理由相信，未酸化的H2O2溶液能將單質(zhì)銅（主要）氧化為Cu2O。實證探索的現(xiàn)象也能很好地切合這一結論。

2.2.2 H2O2的催化分解

一般認為，催化劑可促進過氧化氫物（ROOH）分解而產(chǎn)生自由基，催化過氧化氫物分解屬自由基反應。根據(jù)經(jīng)典的Haber-weiss理論提出的見解是：

a. ROOH+Mn+→RO·+OH-+M（n+1）+

b. ROOH+M（n+1）+→ROO·+H++Mn+

以上兩個反應交替進行，催化劑同時得以復原。存在變價的過渡金屬如鐵（+2、+3等）、錳（+2、+4等）、銀（+1、+2）、銅（+1、+2、+3）等的離子及其化合物，對H2O2的分解都有一定的催化能力，而Zn2+因不存在可變價態(tài)對H2O2的分解也就基本沒有催化活性[4]。因此，對H2O2分解而言，無論是銅的氧化物還是CuSO4等銅鹽都有催化能力。

3 結論

通過上述實證探索表明，銅在未酸化的H2O2溶液中能被氧化生成Cu2O，并能進一步催化H2O2的分解，而適當加熱混合溶液，有助于縮短Cu2O的形成時間并提高Cu2O的催化活性，使銅絲表面的氣泡生成更快、更劇烈。

參考文獻：

[1]江嵐，段昌平. H2O2能氧化銅嗎[J].化學教學，2013，（7）：48～49.

[2][3]印永嘉.大學化學手冊[M].濟南：山東科學技術出版社，1985：795～815.

[4]史宗翔，陸燕海. FeCl3催化分解H2O2實驗的審慎參酌[J].化學教學，2012，（10）：51～53.

2.1.2 CuSO4與H2O2溶液

眾所周知，很多含過渡金屬離子的物質(zhì)（如MnO2、FeCl3、AgNO3等）對H2O2都具有催化活性，而原文則稱只有含Cu2+的酸性溶液可加快H2O2分解。難道硫酸銅晶體在H2O2溶液中只溶解、不催化？而硫酸銅溶液也只對酸化的雙氧水才會有催化效果嗎？

實驗9 室溫時，取30%的H2O2溶液10 mL于一支潔凈試管中，將米粒大小的一粒藍色硫酸銅晶體加入其中，晶體表面立即產(chǎn)生細小氣泡，且快速、平穩(wěn)、持續(xù)，繼續(xù)向以上試管滴加幾滴稀H2SO4酸化，氣泡生成速率沒有明顯改變。

實驗10 室溫下，向A、B兩支潔凈試管中分別加入10 mL 30%的H2O2溶液，然后A試管滴加3～5滴10%的CuSO4溶液，輕輕振蕩，溶液中出現(xiàn)大量無色氣泡，繼續(xù)滴加幾滴稀H2SO4酸化，氣泡無明顯變化；向B試管滴加幾滴稀H2SO4溶液，試管中溶液無明顯變化。

實驗11 向兩支盛有10 mL 30%H2O2溶液的潔凈試管中分別加入少量CuSO4晶體、CuSO4溶液，均出現(xiàn)大量無色氣泡，再分別用酒精燈加熱片刻，H2O2快速分解，試管內(nèi)氣泡洶涌（注意！應用試管夾夾持試管并控制好酒精燈加熱時間，以防反應過于劇烈而發(fā)生液體噴濺傷人）。

由此可見，無論是CuSO4晶體還是CuSO4溶液，無論是室溫下還是加熱時，無論是否滴加稀H2SO4酸化，Cu2+對H2O2的分解都表現(xiàn)出了很好的催化活性。至于稀硫酸的加入，本身對H2O2分解并沒有催化能力，但在H+濃度較大且加熱時會使H2O2的穩(wěn)定性減弱。

2.2 理論分析

2.2.1 H2O2氧化單質(zhì)銅

對于H2O2氧化單質(zhì)銅可能的反應：①Cu（s）+H2O2（l）=CuO（s）+H2O（l）；②2Cu（s）+H2O2（l）=Cu2O（s）+H2O（l）。查閱相關化學物質(zhì)的熱力學數(shù)據(jù)，結果見下表1。由于ΔfGθ受溫度影響大，而ΔfHθ、Sθ則變化較小，在普通化學中可認為保持不變，各物質(zhì)在298K的標準生成熱及熵值，對其他溫度也適用。因此，采用ΔfHθ298、Sθ298進行理論計算較合適。

對于反應①：ΔrHθm=ΣΔfHθ298（生）-ΣΔfHθ298（反）=-251.918 kJ·mol-1，ΔrSθm=ΣΔrHθ298（生）=ΣΔrHθ298（反）=4.684 J·K-1·mol-1；同理，反應②的ΔrHθm=-213.408 kJ·mol-1，ΔrSθm=50.182 J·K-1·mol-1。由Gibbs-Holmholtz方程（ΔrGθm=ΔrHθm-TΔrSθm）可知，上述兩個反應因ΔrHθm<0、ΔrSθm>0，在任何溫度下都能自發(fā)進行，在常溫下發(fā)生的熱力學趨勢也都很大。

從氧化還原的電極電勢角度看，H2O2在非酸性條件下氧化性較弱[H2O2+2e-=2OH-，Eθ（V）：0.88]，在與單質(zhì)銅混合時，銅生成Cu2O、CuO的電極反應及電極電勢分別為：Cu2O+H2O+e-=Cu+2OH-，Eθ（V）：-0.358；Cu2++2e-=Cu，Eθ（V）：0.337 [3]。不難發(fā)現(xiàn)，H2O2將Cu氧化為Cu2O比生成CuO（或Cu2+）要容易得多。

綜上，我們有理由相信，未酸化的H2O2溶液能將單質(zhì)銅（主要）氧化為Cu2O。實證探索的現(xiàn)象也能很好地切合這一結論。

2.2.2 H2O2的催化分解

一般認為，催化劑可促進過氧化氫物（ROOH）分解而產(chǎn)生自由基，催化過氧化氫物分解屬自由基反應。根據(jù)經(jīng)典的Haber-weiss理論提出的見解是：

a. ROOH+Mn+→RO·+OH-+M（n+1）+

b. ROOH+M（n+1）+→ROO·+H++Mn+

以上兩個反應交替進行，催化劑同時得以復原。存在變價的過渡金屬如鐵（+2、+3等）、錳（+2、+4等）、銀（+1、+2）、銅（+1、+2、+3）等的離子及其化合物，對H2O2的分解都有一定的催化能力，而Zn2+因不存在可變價態(tài)對H2O2的分解也就基本沒有催化活性[4]。因此，對H2O2分解而言，無論是銅的氧化物還是CuSO4等銅鹽都有催化能力。

3 結論

通過上述實證探索表明，銅在未酸化的H2O2溶液中能被氧化生成Cu2O，并能進一步催化H2O2的分解，而適當加熱混合溶液，有助于縮短Cu2O的形成時間并提高Cu2O的催化活性，使銅絲表面的氣泡生成更快、更劇烈。

參考文獻：

[1]江嵐，段昌平. H2O2能氧化銅嗎[J].化學教學，2013，（7）：48～49.

[2][3]印永嘉.大學化學手冊[M].濟南：山東科學技術出版社，1985：795～815.

[4]史宗翔，陸燕海. FeCl3催化分解H2O2實驗的審慎參酌[J].化學教學，2012，（10）：51～53.

2.1.2 CuSO4與H2O2溶液

眾所周知，很多含過渡金屬離子的物質(zhì)（如MnO2、FeCl3、AgNO3等）對H2O2都具有催化活性，而原文則稱只有含Cu2+的酸性溶液可加快H2O2分解。難道硫酸銅晶體在H2O2溶液中只溶解、不催化？而硫酸銅溶液也只對酸化的雙氧水才會有催化效果嗎？

實驗9 室溫時，取30%的H2O2溶液10 mL于一支潔凈試管中，將米粒大小的一粒藍色硫酸銅晶體加入其中，晶體表面立即產(chǎn)生細小氣泡，且快速、平穩(wěn)、持續(xù)，繼續(xù)向以上試管滴加幾滴稀H2SO4酸化，氣泡生成速率沒有明顯改變。

實驗10 室溫下，向A、B兩支潔凈試管中分別加入10 mL 30%的H2O2溶液，然后A試管滴加3～5滴10%的CuSO4溶液，輕輕振蕩，溶液中出現(xiàn)大量無色氣泡，繼續(xù)滴加幾滴稀H2SO4酸化，氣泡無明顯變化；向B試管滴加幾滴稀H2SO4溶液，試管中溶液無明顯變化。

實驗11 向兩支盛有10 mL 30%H2O2溶液的潔凈試管中分別加入少量CuSO4晶體、CuSO4溶液，均出現(xiàn)大量無色氣泡，再分別用酒精燈加熱片刻，H2O2快速分解，試管內(nèi)氣泡洶涌（注意！應用試管夾夾持試管并控制好酒精燈加熱時間，以防反應過于劇烈而發(fā)生液體噴濺傷人）。

由此可見，無論是CuSO4晶體還是CuSO4溶液，無論是室溫下還是加熱時，無論是否滴加稀H2SO4酸化，Cu2+對H2O2的分解都表現(xiàn)出了很好的催化活性。至于稀硫酸的加入，本身對H2O2分解并沒有催化能力，但在H+濃度較大且加熱時會使H2O2的穩(wěn)定性減弱。

2.2 理論分析

2.2.1 H2O2氧化單質(zhì)銅

對于H2O2氧化單質(zhì)銅可能的反應：①Cu（s）+H2O2（l）=CuO（s）+H2O（l）；②2Cu（s）+H2O2（l）=Cu2O（s）+H2O（l）。查閱相關化學物質(zhì)的熱力學數(shù)據(jù)，結果見下表1。由于ΔfGθ受溫度影響大，而ΔfHθ、Sθ則變化較小，在普通化學中可認為保持不變，各物質(zhì)在298K的標準生成熱及熵值，對其他溫度也適用。因此，采用ΔfHθ298、Sθ298進行理論計算較合適。

對于反應①：ΔrHθm=ΣΔfHθ298（生）-ΣΔfHθ298（反）=-251.918 kJ·mol-1，ΔrSθm=ΣΔrHθ298（生）=ΣΔrHθ298（反）=4.684 J·K-1·mol-1；同理，反應②的ΔrHθm=-213.408 kJ·mol-1，ΔrSθm=50.182 J·K-1·mol-1。由Gibbs-Holmholtz方程（ΔrGθm=ΔrHθm-TΔrSθm）可知，上述兩個反應因ΔrHθm<0、ΔrSθm>0，在任何溫度下都能自發(fā)進行，在常溫下發(fā)生的熱力學趨勢也都很大。

從氧化還原的電極電勢角度看，H2O2在非酸性條件下氧化性較弱[H2O2+2e-=2OH-，Eθ（V）：0.88]，在與單質(zhì)銅混合時，銅生成Cu2O、CuO的電極反應及電極電勢分別為：Cu2O+H2O+e-=Cu+2OH-，Eθ（V）：-0.358；Cu2++2e-=Cu，Eθ（V）：0.337 [3]。不難發(fā)現(xiàn)，H2O2將Cu氧化為Cu2O比生成CuO（或Cu2+）要容易得多。

綜上，我們有理由相信，未酸化的H2O2溶液能將單質(zhì)銅（主要）氧化為Cu2O。實證探索的現(xiàn)象也能很好地切合這一結論。

2.2.2 H2O2的催化分解

一般認為，催化劑可促進過氧化氫物（ROOH）分解而產(chǎn)生自由基，催化過氧化氫物分解屬自由基反應。根據(jù)經(jīng)典的Haber-weiss理論提出的見解是：

a. ROOH+Mn+→RO·+OH-+M（n+1）+

b. ROOH+M（n+1）+→ROO·+H++Mn+

以上兩個反應交替進行，催化劑同時得以復原。存在變價的過渡金屬如鐵（+2、+3等）、錳（+2、+4等）、銀（+1、+2）、銅（+1、+2、+3）等的離子及其化合物，對H2O2的分解都有一定的催化能力，而Zn2+因不存在可變價態(tài)對H2O2的分解也就基本沒有催化活性[4]。因此，對H2O2分解而言，無論是銅的氧化物還是CuSO4等銅鹽都有催化能力。

3 結論

通過上述實證探索表明，銅在未酸化的H2O2溶液中能被氧化生成Cu2O，并能進一步催化H2O2的分解，而適當加熱混合溶液，有助于縮短Cu2O的形成時間并提高Cu2O的催化活性，使銅絲表面的氣泡生成更快、更劇烈。

參考文獻：

[1]江嵐，段昌平. H2O2能氧化銅嗎[J].化學教學，2013，（7）：48～49.

[2][3]印永嘉.大學化學手冊[M].濟南：山東科學技術出版社，1985：795～815.

[4]史宗翔，陸燕海. FeCl3催化分解H2O2實驗的審慎參酌[J].化學教學，2012，（10）：51～53.