鋁、鎂、銅粉與硝酸鈉溶液反應的實驗探究

董順??

摘要： NO-3在不同的條件下氧化性及還原產物不同，通過實驗探究了NO-3在不同的條件下與不同金屬單質的反應，發(fā)現(xiàn)NO-3的氧化性受溶液的酸堿性和反應溫度的影響。同時還發(fā)現(xiàn)鋁粉與NO-3在中性和堿性條件下均可發(fā)生反應產生氨氣，這應為鋁的特性，可用鋁的這一性質檢驗溶液中是否含有NO-3。

關鍵詞： 硝酸鈉溶液； 鋁粉： 鎂粉； 銅粉； 實驗探究

文章編號： 10056629（2018）8007304 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 由一道模擬試題說起

題目 （北京市朝陽區(qū)2018屆高三一模理綜第12題）某同學進行如下實驗（溶液的濃度均為1mol/L）。

下列對實驗現(xiàn)象的解釋或推測不合理的是

A ①中： 2Al+2OH-+2H2O2AlO-2+3H2↑

B 根據上述實驗判斷，NaNO3的氧化性強于水

C ②中： Al+3NO-3+6H+Al3++3NO2↑+3H2O

D ③中使?jié)駶檖H試紙變藍的氣體是NH3

解析： ②中應為Al在酸性條件下與NO-3反應生成NO，NO與空氣中的O2反應生成NO2，故C選項解釋不合理。

答案： 選C。

由以上試題可以看出，鋁粉與NO-3在中性和酸性條件下均可反應，且NO-3的還原產物分別為NH3和NO，那么在堿性條件下NO-3能否氧化鋁粉，在不同條件下鋁的氧化產物分別是什么？其他金屬單質與NaNO3溶液反應嗎？

2 理論分析

查閱了武漢大學、吉林大學等校編著的《無機化學》[1]，有以下標準電極電勢。

由以上電極半反應式知，當溶液酸性增強時，NO-3的氧化性增強。從化學熱力學的角度看，在中性條件下NO-3能氧化鋁粉，而本身被還原為NH3。

另外，在高溫條件下Pb粉可與NaNO3發(fā)生下列反應[2]：

3 實驗探究

3.1 實驗設計思路

受參考文獻[3， 4]啟示，設計如下實驗： 分別取等量鋁粉與NaNO3溶液在中性、酸性及堿性條件下反應，比較異同。同時，設計對照實驗用KNO3溶液代替NaNO3溶液重復上述實驗。對于其他金屬能否與NaNO3溶液反應，選擇比鋁性質活潑的鎂和比鋁性質穩(wěn)定的銅以及與鋁性質相似的鋅分別在酸性、堿性及中性條件下與NaNO3溶液反應，比較異同。

3.2 實驗藥品

鋁粉（AR）、鎂粉（AR）、銅粉（AR）、鋅粉（AR）、37%濃鹽酸（AR）、NaNO3（AR）、KNO3（AR）、NaOH（AR）、FeSO4·7H2O（AR）、5%H2O2溶液、KSCN溶液

3.3 實驗用品

酒精燈、火柴、試管、試管夾、紅色石蕊試紙、廣泛pH試紙、淀粉KI試紙

3.4 實驗準備

（1） 用托盤天平稱量8.5g NaNO3固體于250mL燒杯中，加98mL蒸餾水，攪拌，溶解，得濃度約為1mol·L-1 NaNO3溶液，備用。

（2） 用托盤天平稱量10.1g KNO3固體于250mL燒杯中，加98mL蒸餾水，攪拌，溶解，得濃度約為1mol·L-1 KNO3溶液，備用。

（3） 用量筒量取98mL蒸餾水倒入盛有4.0g NaOH固體的燒杯中，攪拌，溶解，冷卻至室溫，得濃度約為1mol·L-1 NaOH溶液，備用。

（4） 用量筒量取8.4mL 37%濃鹽酸（濃度約為12mol·L-1）于250mL燒杯中，加入91.6mL蒸餾水，攪拌，混勻，得濃度約為1mol·L-1 HCl溶液[5]，備用。

3.5 實驗內容及現(xiàn)象

3.5.1 鋁粉與NO-3的反應

實驗1 取三支編號為①②③的小試管，各加入1藥匙（約2.5g）鋁粉，再向上述三支試管中分別加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，并向①號試管中滴加2滴1mol·L-1 NaOH溶液，向②號試管中滴加2滴1mol·L-1 HCl溶液，向③號試管中滴加2滴蒸餾水，三支試管中均看不到明顯的氣泡。分別加熱上述三支試管，①號試管和③號試管內立即產生劇烈反應，停止加熱，反應仍劇烈進行，產生大量刺激性氣味的氣體，用濕潤的紅色石蕊試紙靠近管口，試紙變藍，同時固體表面有白色物質生成。②號試管中仍看不到明顯的紅棕色氣體，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙變藍，靠近試管口，能聞到淡淡的NO2的刺激性氣味。

實驗2 取三支編號為④⑤⑥的小試管，分別加入1藥匙（約2.5g）鋁粉，向④號試管中加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液和1mL 1mol·L-1 NaOH溶液，向⑤號試管中加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，向⑥號試管中加入2mL 1mol·L-1 KNO3溶液。振蕩④號試管約3分鐘，劇烈反應，產生大量能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的刺激性氣味的氣體。振蕩⑤號試管，現(xiàn)象不明顯，將濕潤的紅色石蕊試紙置于管口，試紙不變藍。加熱⑥號試管，立即劇烈反應并產生大量能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的刺激性氣味的氣體。

實驗3 分別?、偬栐嚬芎廷厶栐嚬軆鹊纳蠈忧逡海渭?mol·L-1 HCl溶液，產生大量白色膠狀沉淀，繼續(xù)滴加1mol·L-1 HCl溶液，沉淀溶解。

實驗4 向試管中加入半小匙（約0.5g）鋁粉，然后再加入4mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，加熱，反應開始后停止加熱，反應停止。將濕潤的紅色石蕊試紙置于管口，試紙不變藍，將濕潤的pH試紙置于管口，試紙變藍。繼續(xù)加熱，反應繼續(xù)進行。

實驗5 向試管中加入1藥匙（約2.5g）鋁粉，滴加10滴1mol·L-1 NaNO3溶液，4mL蒸餾水和10滴1mol·L-1 NaOH溶液，振蕩，加熱，劇烈反應產生能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的刺激性氣味的氣體。

實驗6 向試管中加入1藥匙（約2.5g）鋁粉和1藥匙（約2g）NaNO3固體，加2mL蒸餾水，振蕩，加熱，靜置5分鐘，劇烈反應產生大量能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的刺激性氣味的氣體。

實驗7 向試管中加入1藥匙（約2.5g）鋁粉和1藥匙（約2g）NaNO3固體，加2mL 1mol·L-1 NaOH溶液，振蕩，試管變熱，劇烈反應，產生大量氣體，將濕潤的紅色石蕊試紙置于管口，試紙變藍。

3.5.2 鎂粉與NO-3的反應

實驗8 取三支編號為⑦⑧⑨的小試管，各加入1藥匙（約1g）鎂粉，再向上述三支試管中分別加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，并向⑦號試管中滴加1mL 1mol·L-1 NaOH溶液，向⑧號試管中滴加2滴1mol·L-1 HCl溶液，向⑨號試管中滴加2滴蒸餾水，振蕩，⑧號試管中有明顯的無色無味的氣泡產生。分別加熱⑦號和⑨號試管，看不到明顯現(xiàn)象，用濕潤的紅色石蕊試紙靠近管口，無變化，將濕潤的pH試紙置于管口，無變化。

實驗9 向小試管中加入1藥匙（約1g）鎂粉，再滴入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液和1mL 1mol·L-1 HCl溶液，振蕩，立即產生大量的無色氣泡，用拇指堵住管口片刻，靠近酒精燈火焰，移開拇指，發(fā)出尖銳的爆鳴聲。將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙變藍，能聞到NO2的刺激性氣味。

3.5.3 銅粉與NO-3的反應

實驗10 向兩支試管中各加入1平匙（約2g）銅粉和2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，并分別加入1mL 1mol·L-1 NaOH溶液和1mL 1mol·L-1 HCl溶液，振蕩，看不到明顯現(xiàn)象，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙不變色。加熱兩支試管至沸騰，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，滴有HCl溶液的試管口附近的淀粉KI試紙變藍。

實驗11 向試管中加入1平匙（約2g）銅粉和1平匙（約1g）NaNO3固體，再加入2mL 1mol·L-1 HCl溶液，振蕩，看不到明顯現(xiàn)象，加熱至沸騰，劇烈反應，產生大量紅棕色氣體，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙變藍，溶液呈藍綠色。

實驗12 向試管中加入1平匙（約2g）銅粉和2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，再加入2mL 37%濃鹽酸，振蕩，加熱至沸騰，劇烈反應，產生大量紅棕色氣體，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙變藍，溶液呈藍綠色。

3.5.4 FeSO4與NO-3的反應

實驗13 取1藥匙（約2g）FeSO4·7H2O晶體于試管中，加蒸餾水溶解，再加入適量還原鐵粉，充分振蕩，靜置，取上層清液，滴加KSCN溶液，溶液不變紅，將上述溶液分成四等份，每份約0.5mL。一份滴加0.5mL 5%H2O2溶液，溶液立即變?yōu)檠t色。一份滴加1mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，溶液顏色無變化，加熱至沸，溶液顏色仍無變化。一份滴加1mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，溶液顏色無變化，再滴加1mL 1mol·L-1 HCl溶液，振蕩，溶液呈淡淡的紅色，加熱，溶液紅色略加深。一份滴加1mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，溶液顏色無變化，再滴加0.5mL 37%的濃鹽酸，振蕩，溶液變紅，加熱，溶液紅色加深。

3.5.5 鋅粉與NO-3的反應

實驗14 取兩支小試管，各加入1藥匙（約2.5g）鋅粉，再分別加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，一支試管滴加1mL 1mol·L-1 NaOH溶液，振蕩，兩支試管中均無明顯現(xiàn)象，加熱至沸，仍無明顯現(xiàn)象，將濕潤的紅色石蕊試紙置于管口，試紙不變藍，將濕潤的pH試紙置于管口，試紙不變藍。

4 結果與討論

4.1 鋁粉與NO-3的反應

鋁粉在酸性條件下與NaNO3稀溶液的反應主要是發(fā)生NO-3被還原為NO的反應，而且常溫下反應較慢。

鋁粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液的反應為放熱反應，當鋁粉量較多時，加熱引發(fā)反應后由于反應放出的熱量足以維持反應繼續(xù)進行，所以能快速反應。在中性條件下，當鋁粉量較少時，由于放出的熱量較少，停止加熱，反應接近停止。

堿性條件下，由于堿溶液能除去鋁粉表面的氧化膜，同時鋁與堿溶液反應放熱，該反應更容易發(fā)生。

由實驗1～實驗3可知，在中性及堿性條件下，Al與NO-3反應的化學方程式可能為：

由實驗5～實驗7可知，能用鋁粉在堿性和加熱條件下檢驗溶液中是否存在NO-3，若存在則能產生使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍的氣體。

4.2 鎂粉與NO-3的反應

鎂雖然活潑性比鋁強，但鎂粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液不反應。在酸性條件下，溶液中同時存在Mg+2H+Mg2++H2↑與3Mg+8H++2NO -33Mg2++2NO↑+4H2O的競爭反應。

4.3 銅粉與NO-3的反應

銅粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液均不反應。在酸性條件下，反應受溫度、c（NO-3）和c（H+）的影響，若用該方法檢驗溶液中的NO-3，應加入濃酸并加熱，檢驗結果方可靠。

4.4 FeSO4與NO-3的反應

由實驗13得知，在中性條件下，NO-3與Fe2+在溶液中可以大量共存，在酸性條件下NO-3可將Fe2+氧化為Fe3+，而且，酸性越強、溫度越高，反應速率越快。

4.5 鋅粉與NO-3的反應

鋅雖然和鋁的性質有相似的地方，但鋅粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液不反應。

由以上討論可知，比鋁性質活潑的鎂、比鋁性質穩(wěn)定的銅以及和鋁性質相似的鋅均不能在中性及堿性條件下與NaNO3溶液反應。因此，鋁粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液的反應，可認為是鋁的特性。

參考文獻：

[1][2]武漢大學，吉林大學編.無機化學（第三版）[M].北京： 高等教育出版社，1994： 662； 663； 666.

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[4]董順，胡長庚.FeCl3與FeSO4混合溶液中Fe2+檢驗方法的實驗探究[J].化學教學， 2017，（3）： 79～81.

[5]方賓，王倫.化學實驗（上冊）[M].北京： 高等教育出版社， 2003： 181.