鐵粉和氧化銅與足量稀硫酸反應(yīng)的實驗探究

劉曉愚+丁偉+宗華

摘要：采用定性和定量相結(jié)合的方法，對鐵粉和氧化銅與足量稀硫酸反應(yīng)進(jìn)行了實驗研究。探尋鐵粉和氧化銅用量的差異及不同硫酸濃度對反應(yīng)先后順序的影響；根據(jù)酸堿理論、氧化還原標(biāo)準(zhǔn)電極電勢以及化學(xué)動力學(xué)等角度進(jìn)行分析，得出了實驗結(jié)論及適宜的反應(yīng)條件。旨在為初中化學(xué)教學(xué)提供相關(guān)的實驗和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鐵粉；氧化銅；稀硫酸；競爭反應(yīng)；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）6–0076–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

在初中教學(xué)中，往往需要判斷鐵粉和氧化銅與足量的稀硫酸反應(yīng)后溶液中溶質(zhì)的成分。學(xué)生對這個混合體系中反應(yīng)先后順序的認(rèn)識不同，部分學(xué)生認(rèn)為鐵粉比氧化銅活潑，所以鐵粉先和稀硫酸反應(yīng)，當(dāng)鐵粉反應(yīng)完后氧化銅再和稀硫酸反應(yīng)；也有學(xué)生認(rèn)為鐵粉和氧化銅同時與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)，沒有先后之分，因此得出的結(jié)論也各不相同。究竟在鐵粉和氧化銅與稀硫酸的反應(yīng)中有沒有競爭關(guān)系？鐵粉和氧化銅物質(zhì)的量的差異及硫酸濃度的不同會不會導(dǎo)致結(jié)果不同？本文對于這些問題進(jìn)行了實驗研究。

1 實驗探究

1.1 不同量鐵粉和氧化銅與足量1mol/L稀硫酸反應(yīng)

（1）實驗藥品：鐵粉（上海光鏵科技有限公司化學(xué)試劑分公司，分析純）、氧化銅（上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，化學(xué)純）、98%濃硫酸（昆山晶科微電子材料有限公司，分析純）

（2）實驗儀器：電子天平、藥匙、量筒（100mL，50mL，25mL，10mL）、膠頭滴管、燒杯（100mL）

（3）實驗方案及現(xiàn)象（見表1）

實驗1-1中，鐵粉與氧化銅物質(zhì)的量之比為1：2，在混合粉末中加入足量的稀硫酸后，立即觀察到紅色固體產(chǎn)生，無氣泡冒出，充分反應(yīng)后的混合物取上層清液，溶液顏色為藍(lán)色。這一實驗事實說明氧化銅先與稀硫酸反應(yīng)生成硫酸銅，然后鐵粉與硫酸銅發(fā)生置換反應(yīng)，生成硫酸亞鐵和單質(zhì)銅，由于氧化銅量多，因此硫酸銅沒有被完全置換，上層清液呈淺藍(lán)色。在此過程中，鐵粉沒有與稀硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就已被消耗完。

實驗1-2中，鐵粉與氧化銅等物質(zhì)的量混合，加入足量稀硫酸，得到了與第一個實驗幾乎相同的現(xiàn)象。唯一的區(qū)別是，充分反應(yīng)時鐵粉恰好將生成的硫酸銅完全置換生成硫酸亞鐵和單質(zhì)銅，因此上層清液呈淺綠色。

實驗1-3中，鐵粉與氧化銅物質(zhì)的量之比為2：1時，在混合粉末中加入足量稀硫酸后同樣先生成紅色固體，當(dāng)紅色固體不再增加后，鐵粉再與稀硫酸反應(yīng)生成氫氣，以氣泡形式逸出。氣泡逸出速度不隨硫酸消耗而減慢，認(rèn)為鐵、銅和稀硫酸形成了原電池，產(chǎn)生原電池效應(yīng)。

（4）實驗結(jié)論

從上述三個實驗現(xiàn)象中可以得出，在硫酸足量且濃度為1mol/L的情況下，無論鐵粉的物質(zhì)的量是小于、等于還是大于氧化銅的物質(zhì)的量，反應(yīng)間均存在競爭關(guān)系，其先后順序如下：氧化銅先與稀硫酸反應(yīng)生成硫酸銅，鐵粉再與硫酸銅發(fā)生置換反應(yīng)，如果鐵粉剩余再與稀硫酸反應(yīng)生成氫氣。

1.2 鐵粉和氧化銅與不同量稀硫酸反應(yīng)

（1）實驗藥品：同1.1（1）

（2）實驗儀器：同1.1（2）

（3）實驗方案與現(xiàn)象（見表2）

實驗2-1中硫酸濃度為2mol/L，實驗現(xiàn)象與1-2使用1mol/L硫酸無明顯區(qū)別。

當(dāng)實驗2-2中硫酸濃度達(dá)到3mol/L時，紅色固體和大量氣泡同時產(chǎn)生，觸摸到燒杯外壁明顯發(fā)燙。硫酸濃度的增加使得鐵粉與稀硫酸反應(yīng)速率大大加快，因此鐵粉和氧化銅粉末接觸硫酸的瞬間同時發(fā)生反應(yīng)。然而氣泡很快不再產(chǎn)生，紅色固體持續(xù)析出，說明鐵置換硫酸銅的反應(yīng)占據(jù)了上風(fēng)。由于鐵粉尚未將硫酸銅置換完全，反應(yīng)結(jié)束后上層清液為淺藍(lán)色。

實驗2-3中，加入6mol/L的硫酸后立即生成紅色固體，瞬時產(chǎn)生大量氣泡并放出大量的熱。反應(yīng)的過程中，不斷生成紅色固體并持續(xù)冒出細(xì)小氣泡，反應(yīng)結(jié)束后上層清液為淺藍(lán)色。該實驗現(xiàn)象表明，硫酸濃度增大到一定程度后，動力學(xué)因素起決定作用，三個反應(yīng)同時發(fā)生。

（4）實驗結(jié)論

通過以上三個實驗可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵粉和氧化銅粉末物質(zhì)的量相等時，硫酸濃度的增加會加快鐵與硫酸的反應(yīng)速率：當(dāng)硫酸濃度為3mol/L時，鐵粉同時與硫酸銅和硫酸發(fā)生反應(yīng)，但大量氣泡瞬時逸出后就不再產(chǎn)生，與此同時，單質(zhì)銅在不斷地析出，說明瞬時過后鐵粉已轉(zhuǎn)為和硫酸銅反應(yīng)。當(dāng)硫酸濃度為6mol/L時，氧化銅和硫酸、鐵粉和硫酸、鐵粉和硫酸銅的反應(yīng)同時發(fā)生，直至鐵粉耗盡。而硫酸濃度較?。?mol/L）時無氣泡產(chǎn)生，說明對鐵和硫酸反應(yīng)速率無影響。

2 理論分析

根據(jù)Lewis酸堿理論和HSAB理論，硬酸與硬堿優(yōu)先結(jié)合，因此氧化銅最先與稀硫酸反應(yīng)生成硫酸銅和水。而鐵與硫酸銅和鐵與稀硫酸的反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，查標(biāo)準(zhǔn)電極電位表可知：

對于實驗2-2和2-3現(xiàn)象和電動勢計算不符的情況，從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)角度能夠得到合理的解釋。鐵和稀硫酸的反應(yīng)屬于基元反應(yīng)，反應(yīng)速率ν=kcFecH2SO4。從速率方程可以得到，鐵和稀硫酸的反應(yīng)速率與硫酸濃度成正比。當(dāng)硫酸的濃度不斷增加，鐵和硫酸的反應(yīng)速率不斷加快，硫酸濃度達(dá)到3mol/L時，鐵和硫酸、鐵和硫酸銅的反應(yīng)同時發(fā)生，因此，觀察到紅色固體和大量氣泡同時產(chǎn)生。但隨著反應(yīng)進(jìn)行，硫酸濃度下降，反應(yīng)速率降低，動力學(xué)因素對于鐵與硫酸的反應(yīng)影響減弱，以熱力學(xué)因素為主，鐵與稀硫酸的反應(yīng)停止，直至硫酸銅耗盡，剩余的鐵粉才繼續(xù)與稀硫酸反應(yīng)。當(dāng)硫酸濃度為6mol/L時，鐵和硫酸、鐵和硫酸銅同時發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)過程中硫酸濃度降低不顯著，因此觀察到生成紅色固體的同時有細(xì)密的氣泡產(chǎn)生。

3 實驗結(jié)論

（1）在鐵粉和氧化銅的混合物中加入足量1mol/L稀硫酸，當(dāng)鐵粉的物質(zhì)的量小于、等于或大于氧化銅的物質(zhì)的量時，反應(yīng)順序均為氧化銅先與硫酸反應(yīng)生成硫酸銅，鐵粉將硫酸銅中的銅置換出來，如果鐵粉剩余，再與稀硫酸反應(yīng)生成氫氣。

（2）當(dāng)鐵粉和氧化銅等物質(zhì)的量時，硫酸的濃度會對鐵和稀硫酸的反應(yīng)速率造成一定影響，當(dāng)硫酸濃度大于2mol/L時，會加快鐵粉與稀硫酸的反應(yīng)速率，導(dǎo)致鐵粉同時與硫酸銅和硫酸反應(yīng)。為避免鐵粉同時與硫酸反應(yīng)，建議反應(yīng)使用的稀硫酸濃度不超過2mol/L。

本研究采取定性與定量相結(jié)合的實驗方式，研究了鐵粉和氧化銅與足量稀硫酸反應(yīng)間的競爭關(guān)系，通過探究和分析得到了各反應(yīng)之間的先后順序，并給出了實驗適宜的稀硫酸濃度范圍。該體系中反應(yīng)先后順序的確定，解決了困擾多年的問題，旨在給初中教師的教學(xué)提供相關(guān)的實驗和理論依據(jù)[1，2]，并對堿性氧化物和金屬同時與酸反應(yīng)這一類問題的研究，提供一定的借鑒意義[3，4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱傳征，高劍南.現(xiàn)代化學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，1998：199.

[2]華彤文，王穎霞，卞江，陳景祖.普通化學(xué)原理（第四版）[M].北京：北京大學(xué)出版社，2014：473.

[3]劉智成.現(xiàn)代酸堿理論在有機化學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2010，（6）：9～12.

[4]劉連亮.高中化學(xué)中“競爭反應(yīng)”的歸類解析[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（12）：67～68.