[新版]锌与硝酸铜反应

[新版]锌与硝酸铜反应 锌与硝酸铜溶液反应的实验探究 范青红 (江苏靖江市生祠中学214531) 笔者在教完选修教材第二章《电解质溶液》后(开展了一次课外活动，其中有一个活动课题是;将一块锌板插入1 mol,L的硝酸铜溶液中，要求学生认真记录观察到的实验现象，并对这些现象进行科学的解释。本实验的宗旨是:通过实验培养学生观察问题和问题能力。 一、实验中六种变化现象 1(Zn与Cu(N03):溶液首先发生了置换反应。开始析出来的铜颗粒较细呈黑色，后随因cu颗粒逐渐变粗而呈现棕红色。 2(由于zn板上沉积了金属Cu，形成zn—Cu原电池，使溶液中H’在正极(Cu电极)获得电子产生H2。所以可看到Zn板上Cu周围有气体冒出。 3(反应进行较长时间后，使H2不断逸出，溶液中oH—浓度不断增大，而使溶液呈碱 性，溶液中Cu2+和OH- 结合生成Cu(oH)2沉淀， 所以杯底部有淡蓝色沉 淀出现。 4(由于溶液中Zn2+ 增加;也可与OH-结合生 成白色Zn(OH)2沉淀，因 OH-浓度不大，不会使 Zn(OH)2溶解，它混入 Cu(oH)2沉淀中。 5(反应进行一段时间后，可看到烧杯上半部溶液显绿色，下半部的溶液仍显蓝色。 6。烧杯中溶液随反应进行，蓝色逐渐变浅，最终变为无色。说明溶液中cu2+一部分被zn还原为cu，另一部分与oH—结合为难镕的Cu(OH)z沉入杯底。 二、有关实验现象中几个问题的探究 1，Zn板插入Cu(NO3)2溶液的实验，按理论分析，在zn板上金属cu周围析出的是H2，实验中也确实得到了H2，但有些学生在实验中还闻到了NO2特有的刺激性气味，认为实验中产生的气体是NO2。这个问题提得好!说明学生能根据自己在实验中观察到的现象，大胆发表自己的见解，这种精神值得提倡。为验证有些学生的“不是氢气而是二氧化氮”的结论，笔者提示学生从以下儿个问题加以讨论: (1)二氧化氮是怎样产生的?按一般规律，Zn板插入Cu(N03)2溶液，首先发生置换反应产生Cu，然后形成zn—Cu原电池，导致溶液中H+在正极(Cu电极)上获得电子产生H2，这就是所观察到zn表面(实际上在Cu周围)有气泡产生的原因。假如所观察到的真是NO2，那又该怎样去理解? (2)如果观察到的N02是事实，道理上又不易理解，那么能否考虑N02不是由Cu(N03)2和Zn板反应产生的，而是由于Cu(NO3)2不纯造成的?基于上述推测，笔者和几位学生检查学校现有的化学试剂，发现了本实验所用的化学纯试剂中含O(4,HNO3成分。至此，学生似乎寻找到了。但笔者又提醒他们，若改用纯度更高的分析纯Cu(NO3)2重复实验，结果怎样?但仍有少数学生发现实验中有NO2气味产生。 (3)根据讨论，大多数学生认为N02味产生的原因有两种可能:?cu(N03)2中含游离的硝酸;?Zn板与Cu(N03)2溶液反应所致‘我们认为:金属Zn与Cu(N03)2溶液接触时;zn作为还原剂。它遇到了三种可以把它氧化的物质:Cu2+、H+(或H2O)和NO3-(或HN03);三个氧化还原反应只是所占比重不同。在一般情况下，还是以前面两个为主，若实验用的Cu(NO3)2中含较多游离HNO3，就会嗅到N02气体较浓些。若Cu(N03)2中不含HN03。N02的气体就会较淡些。有关反应为:3Zn十8HN03,3Zn(N03)z十2NO十4H2O，2NO 2N02，至此，这一问题的结论:在产生H2的同时常会伴有N02气体产生。十02, 2(实验进行一段时间，烧杯中上半部呈绿色，下半部仍显蓝色。下半部溶液显蓝色说明溶液中仍为Cu(N03)2，而上半部为什么显绿色且绿色存在较长一段时间呢?这一问题也是学生〔讨论的焦点之一。对这一问题的探究，笔者引导学生从溶液由蓝-绿-无色这一过程来推测: (1)绿色的产生可能是由cu+显示出来(Cu+产生过程实际为:Cu2+—Cu+—Cu)，但cu+一般情况下为无色的，并非绿色，除非有特殊的阴离子与之结合才产生特殊颜色，而本实验溶液中只有Cu2+、Zn2+、NO3-、H+、OH-。而Cu+与N03-存在下也不是绿色，OH-与Cu+结合也不生成绿色氢氧化亚铜沉淀。查阅资料发现氢氧化亚铜为黄色，因此，绿色可以认为是氢氧化亚铜黄色混悬物和剩余水合铜离子[Cu(H2O)4 2+]的蓝色混合而成的“混合色”。 (2)绿色为何持续较长时间?按资料文献看cu+在水溶液中很不稳定，迅速地发生歧化反应:2Cu+,Cu十Cu2+不过只要有剩余Zn和cu2+的存在。只要反应还在进行。那么cu+就会不断地产生，不断歧化，歧化产生cu2+还能继续参加反应，直至全变成cu单质为止。所以cu+存在较长一段时间是可以理解的。 (3)cu+是怎样产生的呢?很多学生讨论认为是zn将cu2+还原所得的，但根据所观察到现象，绿色是在溶液的上半部而不是在zn板周围，笔者通过查阅有关文献和综合有关化学反应认为，将cu2+还原成cu+是由前一步产生的H2而还原的，反应式为:H2十2Cu2+十20H-,2Cu+十2H20，OH-显然来自水的电离。 三、实验中涉及的基本反应 通过讨论，大家认为，Zn板插入Cu(N03)2溶液中，并非简单的两种物质问的反应。实际上出现比预想的多得多的现象。按时间大体顺序发生了下列反应: 所有上述反应均是中学学过的基本化学反应，只不过在特定条件下结合起来罢了。 四、实验后的启示、 启示之一:要清除限制观察能力发展的各种樟碍。如果我们从开始就认为zn与cu(N03)2溶液反应只不过是下面一个反应而已:Zn十Cu2+,Cu十Zn2+就不可能观察到更多的细微而又不易被发现的现象，就会“视而不见、见而不思、思而不悟”。实际课堂上，本上都说zn和CU2+之间可以发生上述反应，但并没有说只发生这一种反应，其实在具体做某一反应的实验时，我们看到的往往是许多反应的组合，这里有主反应，也有许多副反应，但我们要跳出已知的反应框框，获取新知，补充已知。 启示之二:通过这一次实验，师生感触最深的是“学无止境”的道理。?如果用CuCl2或Cu—s04溶液代替cu(NO3)2溶液。实验结果有何差别??如果用Al或Fe等比Cu活泼的金属代替zn进行实验是否还能出现上述现象??我们能不能把Zn与Cu(N03)2溶液反应的结果直接用来解释各种类似的反应，7?若进一步研究，将Al板插入氯化汞(HgCl2)溶液中，你会发现哪些惊奇的现象?能否用上述分析方法来分析和解释这一特殊的反应?上述一系列 问题，值得我们深思和再进一步探究。 启示之三，如今正处于教学改革的时代，对学生能力的培养迫在眉捷。笔者认为，在平 时的教学中，多开展一些切合学生实际的有利他们能力培养的专题实验课，并能对实验中出 现所有问题进行讨论和探索研究，对学生能力和教学质量的提高以及适应当今高考的选拔必 定有很大的促进作用。 【参考资料】硝酸铜跟锌反应主要产物的探索 【原理】硝酸铜跟锌的反应，是一个复杂的氧化还原反应。锌除了从硝酸铜溶液里置换出铜以外，还能跟硝酸铜水解生成的硝酸反应。反应的产物件随着硝酸浓度的不断降低，由一氧化氮依次转变成一氧化二氮、氮气，直到铵离子。本实验主要使学生用实验探索硝酸铜跟锌反应的主要产物。 【用品】100mL针筒、铁架台、试管、硝酸铜溶液、纯锌粉、红色石蕊试纸、硫酸亚铁溶液 【操作】 1(在100mL的针筒里加入4g化学纯锌粒，然后吸入20mL0.5mol/L的硝酸铜溶液。在锌跟硝酸铜溶液反应沿未放出气体时，迅速排尽针筒里的少量的空气，并在针筒管口套一只小橡皮帽，使针筒成为封闭的反应体系。用铁夹夹住针筒，放在铁架台上，观察筒里的反应现象。 (放置72h后，反应接近完全，针筒里的硝酸铜溶液已由蓝色变成无色，生2 成无色气体约85mL。 3(在试管里加一些反应后的溶液，滴加氢氧化钠溶液，并加热。这时产生能使湿润的红色石蕊试纸变蓝的氨气，证明溶液里有铵根离子。 4(用另一支针筒的针头通过橡皮帽从原针筒里抽出10mL气体，并吸入新配制的硫酸亚铁溶液，振荡。这时淡绿色的硫酸亚铁马上显棕色，证明针筒内的气体里含有一氧化氮。有关化学方程式是FeSO+NO=Fe(NO)SO。44 5(用上述相同的方法，用另一支针筒吸入40mL反应后的气体，以吸入新配制的硫酸亚铁溶液，振荡。然后排出已变棕色的溶液，再吸入新制的硫酸亚铁溶液。这样反复操作，一直到针筒里的气体体积不再变化为止(在吸入和排出时都要注意不能让空气吸入和把针筒内的气体排出)。观察剩下的气体体积(约为10.5mL，NO的体积分数约为73.8%)。 6(取少量生成的混合气体做爆鸣试验。混合气体一般不会发生爆鸣，也不能点燃，说明其中氢气的含量低。 7(为了进一步查明气体产物的成分，可以用气相色谱分析的方法准确地测出氢气和氮气的含量(分析结果氮气是12%，氢气是0.9%)。 8(还可以作一些探索，例如改变硝酸铜溶液的浓度、用氯化铜溶液跟锌反应。或用镁粉跟0.5mol/L硝酸铜溶液反应，测定反应的主要产物。