銅與常見酸反應(yīng)邊界濃度的探究

韋永華 錢勝 周宗敏

摘要： 以銅與各種酸發(fā)生反應(yīng)時所需濃度作為探究內(nèi)容，通過系列實驗，發(fā)現(xiàn)銅分別與鹽酸、硫酸開始發(fā)生反應(yīng)的起始濃度、銅與硝酸反應(yīng)生成NO的濃度以及與硝酸反應(yīng)生成NO2的濃度，并得出相應(yīng)結(jié)論。對實驗及結(jié)論進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞： 銅與酸反應(yīng); 邊界濃度; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2021）02-0067-04

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題提出

金屬與酸反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，我們從《無機(jī)化學(xué)》[1]中查閱到下面的一段文字： 例如硝酸和鐵反應(yīng)，隨著硝酸濃度的增大，產(chǎn)物中NH3（酸性介質(zhì)中為NH+4）的含量逐漸減少。當(dāng)硝酸的濃度達(dá)到40%時，NH3已不存在，此時主要產(chǎn)物為NO，其次為NO2和微量的N2O。當(dāng)硝酸的濃度增大到56%時，其還原產(chǎn)物主要是NO2。當(dāng)硝酸濃度增大到68%時，則不再與鐵反應(yīng)而鈍化。具體情況如圖1所示。

由此引發(fā)思考： 在常見的金屬中，銅扮演著重要的角色。相對于鐵和鋁易與濃硫酸（濃硝酸）發(fā)生鈍化反應(yīng)相比，它與非氧化性的稀酸不反應(yīng)的事實更符合金屬活動性順序。所以，在各種版本的現(xiàn)行高中教材中都有銅與酸的相關(guān)反應(yīng)。但這里的濃或稀是一種相對概念，濃到什么程度叫做“濃”，稀到什么程度又稱之為“稀”？經(jīng)查閱眾多資料，對于銅能與多大濃度（我們稱之為“邊界濃度”）的各種酸反應(yīng)，仍沒有找到令人滿意的答案。本文想從實驗的角度，來研究銅能與何種濃度的鹽酸、硫酸反應(yīng)？銅與何種濃度的硝酸反應(yīng)主要生成NO？能生成NO2的邊界濃度又是多少？等等。需要說明的是，下面的實驗均被反復(fù)重做多次，其重現(xiàn)性良好，故實驗現(xiàn)象及相關(guān)結(jié)論是可靠的。

2? 實驗部分

2.1? 實驗藥品及儀器

藥品： 銅片、濃鹽酸、濃硫酸、濃硝酸、蒸餾水、石蠟油、氨水

儀器： 試管、酒精燈、量筒、試管夾、鐵架臺、燒杯、石棉網(wǎng)

2.2? 銅與不同濃度鹽酸溶液反應(yīng)的邊界濃度

由于銅的活動性，使其通常情況下不能與稀鹽酸反應(yīng)。但若選用銅片或銅絲與濃鹽酸混合并加熱，則發(fā)生反應(yīng)： 2Cu+8HCl2H3[CuCl4]+H2↑;若改用銅粉，則發(fā)生反應(yīng)： 2Cu+4HCl2H[CuCl2]+H2↑[2]。原因是Cl-具有較強(qiáng)的配合作用，在一定條件下，濃鹽酸中的Cl-與Cu+結(jié)合生成[CuCl2]-、 [CuCl3]2-、 [CuCl4]3-等，同時產(chǎn)生的氫氣逸散，雙重因素共同影響，使反應(yīng)的平衡正向移動。上述文獻(xiàn)從理論角度說明了銅能與濃鹽酸反應(yīng)的客觀事實。為了驗證多大濃度的濃鹽酸能與銅反應(yīng)，我們進(jìn)行了如下探究實驗。

把市售濃度為37%、密度為1.18g/cm3的濃鹽酸，與水分別按體積比為10∶0， 9∶1， 8∶2……0∶10混合，配制成各種濃度的鹽酸。取10支試管，分別加入適量相同大小的光亮銅片，把配好的各種濃度的鹽酸分別倒入試管，浸沒銅片。為了減少HCl的揮發(fā)及空氣中的O2可能對實驗帶來的影響，在混合物上加一層石蠟油液封。把酒精燈調(diào)至小火，小心持續(xù)加熱，使鹽酸處于微沸狀態(tài)30min。然后，把觀察到的實驗現(xiàn)象記錄于表1（注： 為了方便列表，空白實驗沒有在表中列出，后續(xù)硫酸和硝酸沒有進(jìn)行空白實驗）。

為了盡可能減少HCl揮發(fā)對溶液濃度的影響，我們把加熱方式改成沸水浴加熱，產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象雖不如直接加熱明顯，但溶液顏色的變化趨勢與上表所述基本一致。為了找到更精確的反應(yīng)邊界濃度，我們又補做了介于12%～16%之間的14%的鹽酸與銅加熱后的反應(yīng)，溶液幾乎呈無色。取反應(yīng)后的黃色溶液少許，逐滴加入過量濃氨水。開始滴加氨水的一瞬間，在溶液表面，液滴周圍出現(xiàn)淡淡的藍(lán)色，振蕩后藍(lán)色消失，繼續(xù)滴加氨水至過量，溶液呈極淺的藍(lán)色。

理論分析： 第一，當(dāng)溶液中兼含Cu2+和Cu+與Cl-形成的配離子時呈醬色，當(dāng)在較低濃度時顯淡黃色至幾乎無色，與實驗中所觀察到的現(xiàn)象一致。第二，以[CuCl4]3-為例（其他絡(luò)離子類似），在溶液中存在如下的平衡[3]： [CuCl4]3-Cu++4Cl-， Cu+與氨水生成無水配合物[Cu（NH3）2]+，[Cu（NH3）2]+很快被空氣中的氧氣氧化生成深藍(lán)色的[Cu（NH3）4]2+，反應(yīng)如下：

4[Cu（NH3）2]++8NH3+O2+2H2O4[Cu（NH3）4]2++4OH-從而證明銅與濃鹽酸發(fā)生了反應(yīng)。

結(jié)論： 加熱時，鹽酸與銅反應(yīng)的邊界濃度為14%～16%。當(dāng)鹽酸的濃度小于14%時，通常認(rèn)為不與銅反應(yīng)，而濃度大于16%時，銅與鹽酸可以反應(yīng)生成氫氣。從文獻(xiàn)[4]中查到： 溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%的鹽酸稱為濃鹽酸。如果以能否與銅在加熱條件下反應(yīng)來界定濃、稀鹽酸，我們的實驗數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)有一定差異，這應(yīng)該是界定的方式不同所致。故教學(xué)中，也不宜死摳“濃鹽酸”和“稀鹽酸”的區(qū)別。

2.3? 銅與不同硫酸溶液反應(yīng)的邊界濃度

銅與稀硫酸也不能反應(yīng)，且SO2-4的配合能力遠(yuǎn)不及Cl-，所以不存在由于硫酸的濃度增大而與銅反應(yīng)生成氫氣的可能性。但銅能與一定濃度的硫酸反應(yīng)是不可辯駁的事實。為研究銅與硫酸反應(yīng)的邊界濃度，我們延續(xù)了前面的實驗思路。把市售濃度為98%、密度為1.84g/cm3的濃硫酸，與水分別按體積比為9∶1， 8∶2……0∶10混合，配制成各種濃度的硫酸溶液，并計算出其濃度。取大小相同的光亮銅片，依次加入配制好的各種濃度的硫酸中，用酒精燈充分加熱，觀察到的實驗現(xiàn)象如表2所示。

從表2中可以看出，63%的硫酸溶液不與銅反應(yīng)，而72%的硫酸溶液則能與銅反應(yīng)。為了找到更精確的邊界濃度，我們把63%～72%范圍內(nèi)的濃度又細(xì)分為65%、 67%和69%，重復(fù)上述實驗，其結(jié)果如表3所示。

結(jié)論： 硫酸與銅片反應(yīng)的邊界濃度在63%～65%。即加熱時，當(dāng)硫酸的濃度大于65%時，銅片與濃硫酸能發(fā)生顯著的反應(yīng)，而硫酸的濃度小于63%時，則銅片不能與硫酸發(fā)生顯著反應(yīng)。

在文獻(xiàn)[5]中查到： 濃硫酸是指質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于70%的硫酸，與本實驗所得出的邊界濃度接近。所以，70%的硫酸被認(rèn)為是濃硫酸，在本實驗中是可以接受的。

2.4? 銅與硝酸反應(yīng)的邊界濃度

除鎂、鋅與一定濃度的稀硝酸反應(yīng)生成少許氫氣外，各種濃度的硝酸與其他金屬反應(yīng)，幾乎沒有氫氣生成。又由于氮元素形成的化合物種類眾多，使得硝酸與各種金屬反應(yīng)的還原產(chǎn)物很復(fù)雜。一般說來，濃硝酸與金屬反應(yīng)，不論金屬活潑與否，它的主要產(chǎn)物是NO2，倘若是活潑金屬（如鋅、鎂）與稀硝酸反應(yīng)的主要產(chǎn)物是N2O，極稀的HNO3與活潑金屬反應(yīng)，則被還原為NH+4[6]。而銅與濃（稀）硝酸反應(yīng)是中學(xué)十分常見的反應(yīng)，為了探究生成NO等物質(zhì)時硝酸的邊界濃度，進(jìn)行了如下實驗。

同樣，把市售濃度為68%、密度為1.4g/cm3的濃硝酸，與水分別按體積比為9∶1， 8∶2……0∶10混合，配制成各種濃度的硝酸。取大小相同的光亮銅片，依次加入配制好的各種濃度的硝酸中，靜置，觀察到的現(xiàn)象記錄如表4所示。

依據(jù)上表，只能得出26%的硝酸與銅反應(yīng)會生成NO2的結(jié)論，而在18%～26%之間仍有很大的濃度范圍值得研究。與前面的探究思路相似，我們又精準(zhǔn)地配制20%、 22%和24%的硝酸，重復(fù)上述實驗（實驗現(xiàn)象不再贅述），可得出如下結(jié)論：

當(dāng)硝酸濃度小于或等于20%時，銅與硝酸溶液反應(yīng)幾乎只生成NO，而高于此濃度則可明顯觀察到有紅棕色氣體生成，隨著硝酸的濃度增加，生成NO2的比例會越來越大，氣體的顏色也更濃，但由于NO的無色易被NO2的紅棕色所掩蓋，故用本文的實驗仍無法確定在產(chǎn)物中NO和NO2的比例，也無法確定只生成NO2的邊界濃度，這也是本實驗的局限性所在，愿意就此問題與同行們進(jìn)行更為深入的探討和交流。

參考文獻(xiàn)：

[1][3][6]古國榜， 李樸主編. 無機(jī)化學(xué)（第二版）[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2003： 345～346， 252.

[2]姚守拙， 朱元保， 何雙娥， 聶利華. 元素化學(xué)反應(yīng)手冊[M]. 湖南： 湖南教育出版社， 1998： 773.

[4]https：//baike.baidu.com/item/%E6%B5%93%E7%9B%90%E9%85%B8/10341499？fr=aladdin.

[5]https：//baike.baidu.com/item/%E6%B5%93%E7%A1%AB%E9%85%B8.