减少锌与硫酸铜置换反应中出现黑色物质的探究 论文.docx

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1、减少锌与硫酸铜置换反应中出现黑色物质的探究摘要：初中化学教材指出锌置换出硫酸铜溶液中的铜，现象是银白色的锌片表 面出现红色固体产物，而实际实验无论用锌片还是锌粒，反应所得产物均会有大量 黑色固体覆盖在锌片表面，这显然与教材所说并不一致。鉴于此，本研究通过控制 变量法反复进行实验探究，发现减少反应中黑色物质的生成受硫酸铜溶液的配制影 响，且与硫酸铜溶液的浓度有一定的关系。当硫酸铜溶液的配制用氧化铜与稀硫酸 反应而制得，且配置所得硫酸铜溶液浓度要在06molL左右时，硫酸铜溶液与锌片 反应出现黑色物质几乎为零，红色产物较纯，用于教师教学实验演示效果明显。关键字：锌铜置换，黑色产物，红色产物引言：众

2、所周知，锌与硫酸铜的置换反应是中学教学置换反应的一个典型的范 例。当锌片放入到硫酸铜溶液中时，从初中参考教材中对锌与硫酸铜溶液反应的实 验现象描述和课本所提供的参考图片上可以看出，在该反应中锌将铜单质从其化合 物中置换出来形成了漂亮的铜树，非常形象而直观。但在现实实验操作中，观察到 的现象是从硫酸铜溶液中置换出来的产物总是松弛地附着在锌片上，且总是呈现灰 黑色。理论上锌片表面应该有红色物质析出，但是无论是在文献上，还是中学教学 实际中均有该实验现象不明显或者产物出现大量黑色物质的的报道。这是什么原因 造成的呢？为了方便教学演示，又如何改进或优化实验操作使其现象更加直观明显 呢？面对知识水平有限

3、的初中生，教师客观上无法给学生以圆满的解释，这既给授 课带来困难，又易使学生产生误解。鉴于此，带着这个疑问，众学者们对其异常现 象进行分析探究。有部分学者对影响实验结果的因素包括：硫酸铜溶液的溶氧量、 硫酸铜溶液的酸碱度以及反应温度的条件控制等方面进行了探究，但结果分析都不 甚明确，实际用于教学课堂演示仍有欠缺之处。本着对科学实验探究以及科学认知 的正确性，帮助中学生了解和认知问题的本质答案，锌与硫酸铜的置换反应的产物 再探究以及如何减少黑色产物出现的研究必将起到重大意义。基于这样的原因，本 文采用控制变量法：第一步探寻出适合反应的硫酸铜溶液浓度；第二步在此基础上 以其浓度作为反应的标准浓度，

4、配制反应所需的稀硫酸的浓度；第三步计算出反应 出现较理想的结果时配制所得硫酸铜溶液的浓度；第四步尝试其他浓度稀硫酸与氧 化铜新制所得的硫酸铜溶液反应结果探究；研究结果表明减少反应中黑色物质的生 成，需要用稀硫酸与氧化铜反应新制得的硫酸铜溶液，且配置所得的溶液浓度要在 0.6molL左右，此时的黑色产物几乎为零，产物形成较为立体宏观的铜树。一、产生黑色物质的影响因素探究锌置换硫酸铜溶液中的铜时，会有大量黑色物质出现，其中原因是受硫酸铜溶 液浓度以及反应温度的影响。于是设计以下实验进行探究：（一）探究硫酸铜溶液浓度对实验结果的影响实验采用控制变量法进行，即保持其他外界条件相同，用相同体积、不同浓度

5、 的硫酸铜溶液与相同大小的锌片进行置换反应，观察并记录结果；.实验过程与设计 步骤1）实验选用五水硫酸铜晶体溶于蒸储水中，配制出所需浓度的硫酸铜溶液。配制 硫酸铜溶液浓度分别为 0.05、0.1、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、 1.4molL以及饱和硫酸铜溶液；（2）选取相同体积、不同浓度的硫酸铜溶液于大小一致的烧杯中，再放入用砂纸 打磨过的大小相同的锌片，观察反应现象并记录反应出现红色产物的时间；各浓度硫酸铜溶液与打磨过的锌片反应部分结果记录：2.现象记录与结果分析实验现象表明，最初具有金属光泽的锌片放入硫酸铜溶液中立即会有黑色物质 附着在其表面。随

6、着反应时间的进行，黑色逐渐加重至CUSO浓Zn片表面由Zn片表 面由度光泽变全黑全黑变全红由于溶液配制误差以及手工实验操作误差，上述时间记录均为大约记录时间。从记录结果以及实验现象可以看到：口一定范围内，随着硫酸铜溶液浓度的增大，置换得到红色产物所用的时间会减 少。但当浓度超过一定范围，随着浓度的增大，置换得到的红色产物所用时间会增 大；口反应相同浓度下的硫酸铜溶液与同样大小打磨过的锌片反应，反应时间越长， 所得到的红色产物越纯；口实验发现用砂纸打磨过的锌片与新制饱和硫酸铜溶液发生的置换反应出现红色 产物现象相对明显，产物相对较纯，此时饱和硫酸铜溶液浓度大约为L4molL;(二)探究溶液反应温

7、度对实验结果的影响参考相关文献发现有学者提出温度对实验结果会产生一定的影响，基于上述浓 度实验考虑以及温度对实验结果的影响，于是设计以下实验进行探究：1 .实验过程与设计步骤(1)将盛有热水的烧杯放在铁架台的石棉网上。用酒精灯给烧杯加热，使烧杯内 的温度能保持在90。C以上。(2)将盛有五水硫酸铜晶体饱和溶液的试管放入烧杯中用水浴加热至90以上。将洁净的锌片放入上述盛有硫酸铜溶液的试管里，片刻即取出。2 .现象记录与结果分析在上述温度保持在90。C以上的硫酸铜溶液中，即刻取出反应后的锌片会发现洁 净的锌片上出现明显的一层红色产物，类似铜树状，反应剧烈并伴有大量气泡产生, 片刻又有黑色物质出现。

8、出现红色的铜时，锌片表面会瞬间转变为黑色，此现象停 留时间过短，不利于教师教学演示，而且此时的置换反应并不透彻也不完全。锌片 先从最初与硫酸铜溶液接触的表面发生置换反应，逐层内至，内层置换得到的产物 还会转变出现大量黑色产物。从本组的温度作为影响因子实验可以看出，反应既然能在硫酸铜的饱和状态下 得到红色产物，对比上一组常温下的饱和溶液与锌片的置换反应，可以看出温度是 可以影响锌与硫酸铜溶液的置换反应结果的。之所以会出现这样的实验结果，猜想 分析原因及相关因素可能如下：口由上述浓度实验得到，用饱和硫酸铜溶液与锌片的 置换反应得到红色产物较纯，现象较为明显；口温度保持在90。C以上，可以减少溶 液

9、中的溶氧量，减少因氧分子进入干扰实验结果与现象观察；口即刻取出的锌片，在 空气中置换得到的红色产物铜，易被氧化为黑色的氧化铜，从而显现出实验所看到 的现象；二、减少黑色产物的实验条件优化由上述两步实验的前期铺垫可以看出，通过改变反应硫酸铜溶液浓度以及通过 改变反应溶液温度进行锌片的置换反应，实验结果并不乐观。由此可推知，影响实 验结果的因素并不是单一的。实验所用的硫酸铜溶液是用五水硫酸铜晶体溶于蒸储 水配制而成，且使用的晶体颗粒通常是保存已久了的，溶于水后电离出来的铜离子 活性有可能会受到影响。结合前面两步的铺垫实验，于是改进实验探究：（一）实验过程与设计步骤由前期铺垫实验探究分析，要想短时间

10、内得到比较理想的红色产物，需要考虑 的因素是溶液中的溶氧量、硫酸铜溶液的浓度以及铜离子的活性等因素，于是改进 实验选择新配置的硫酸铜溶液且使其反应温度能保持在90以上。取用氧化铜粉末0.5g左右放入小烧杯内，加入L4molL的稀硫酸适量，使其 能够完全溶解氧化铜。将上述烧杯放在铁架台的石棉网上，用酒精灯给烧杯加热，使烧杯内的温度 能保持在90以上。将用砂纸打磨过的洁净锌片放入上述新配置的硫酸铜溶液的烧杯中里，待其 进行反应。重复试验不断改变加入的稀硫酸体积，观察溶液颜色变化以及置换反应得到 的产物状态和颜色，观察并记录实验结果。（二）结果分析论应当氧化铜与稀硫酸进行1： 1反应，恰好反应完全。

11、而实际当氧化铜与稀硫 酸进行1： 1反应时，现象是氧化铜并未溶解完全，底部沉有未溶解的氧化铜， 而且得到的硫酸铜溶液呈现墨绿色。当放入打磨过的洁净锌片时，溶液反应几乎无 变化，并伴有刺激性气味产生。溶液呈现墨绿色，是由于溶液中铜离子的浓度过大 而显示出的颜色。实验过程随着一系列的实验步骤来改变稀硫酸的体积进行与锌片 的置换反应，便是间接改变了所制得的硫酸铜溶液的浓度。通过上述一系列的对比实验和综合所得的数据发现，当新配置的硫酸铜溶液浓 度远大于0.6molL时，溶液通常呈现蓝绿色或者墨绿色甚者灰黑色。加入锌片后， 反应几乎无变化，或是反应过于缓慢，未见气泡出现，反应产生的红色产物中会掺 有斑斑

12、点点的黑色物质，产物不纯，且反应过程伴有强烈的刺激性气味产生，实际 用于演示教学效果并不理想。加热滴加稀硫酸的氧化铜逐渐溶解形成硫酸铜溶液，当所得溶液浓度远小于 0.6molL时，加热溶解过程溶液由灰黑色逐渐变为墨绿色再至澄清透明蓝色。趁热 加入打磨后的洁净锌片，反应平缓，出现红色产物所用时间较长，且新制得的硫酸 铜溶液的浓度越小，反应置换的得到的红色产物所用时间越长。综合发现，当实验制得的硫酸铜溶液浓度为0.6molL左右时，配置溶解氧化铜 的过程中，溶液颜色由黑色转变为墨绿色再至蓝绿色，最终形成澄清透明的蓝色。 趁热加入打磨后的洁净锌片，会出现反应剧烈，有大量气泡产生的现象，同时伴有 刺激

13、性气味逸出，立即便有大量红色固体出现，呈现松散树状，现象非常明显，且 整个反应所用时间很短，用于教师教学演示效果很好。当然，实验尝试如果换用其他浓度的稀硫酸与氧化铜反应来制取硫酸铜溶液， 一样可以出现红色产物比较明显且产物较纯的现象，但稀硫酸的浓度不同，反应出 现红色产物的时间和红色产物的纯度会有差异。如前面所述可以看到，用稀硫酸与 氧化铜反应来制取硫酸铜溶液时，稀硫酸的用量是过量的，只有这样制得的硫酸铜 溶液用来与锌片的置换反应，才会出现红色产物较纯，且反应剧烈，现象十分可观。 这样制得的硫酸铜溶液典型的特征就是溶液呈现蓝色澄清透明，铜离子浓度适中， 不会过大也不会过小。(三)注意事项对于上

14、述实验相关步骤的设计，有几点需要解释清楚：常温下的稀硫酸与氧化铜反应过于缓慢，加热一方面可以加快氧化铜与稀硫 酸发生化学反应的速率，另一方面可以减少溶氧量，保证铜离子的活性，进一步防 止制得的硫酸铜溶液与锌片反应生成红色的铜单质会被氧化成黑色的氧化铜；(2)置换反应过程实验现象较明显的最终溶液应该是澄清透明蓝色的，如果出现溶液变成灰黑色或墨绿色等均说明所加入的稀硫酸是少量的，需要继续加入，直至 观察溶液呈现透明的蓝色，说明此时制得的硫酸铜溶液才是我们需要的；用稀硫酸溶解氧化铜时会产生刺激性气味，原因是氢气泡（这里的氢气是多 余的稀硫酸与锌发生置换反应而放出来的气体）在液面破裂时带出的微小液体酸

15、雾 而难闻，所以实验最好用玻璃片盖在反应的烧杯上。这样既可以防止因加热使溶液 飞溅导致浓度计算出现偏差，又可以很好的隔挡刺激性气味逸出，还可以减少氧气 的进入，防止生成的红色单质铜又会被氧化为黑色的氧化铜；选用1.4molL的稀硫酸是基于浓度实验的分析结果考虑的，饱和硫酸铜溶液 的浓度恰好约为1.4molL;（5）选用0.5g左右的氧化铜，是控制变量的需要（也可选择其他量值，但要保持 一系列实验变量都一致），进而分析配制所得溶液浓度对实验结果的影响；实验浓度计算，溶液体积近似认为等于稀硫酸体积；四）可能的原因分析实验最初用五水硫酸铜晶体溶于水配制成硫酸铜溶液用来实验反应并未得到乐 观的结果，随

16、着实验改进的探究，发现用氧化铜与过量稀硫酸反应得到新制的硫酸 铜溶液出现红色产物较多，现象比较明显。猜想原因可能如下：（1）新制硫酸铜溶液的使用是现用现配，保证了铜离子的活性；（2）在配置硫酸铜溶液的同时保持加热状态，使烧杯内的温度能保持在90。C以 上，减少了溶氧量，防止有黑色的氧化铜生成；（3）配制硫酸铜溶液所使用的稀硫酸是过量的，一方面抑制Cu的水解，进而 也就减少了黑色氧化铜的生成（CU+2Ho=CU（OH）+2HCU（OH）=CUO+HO）；另一方面使 氧化铜全部溶解，形成澄清透明的蓝色溶液，以便得到更多的红色产物；三、总结为证明锌的金属活动性比铜强，通常是通过锌与硫酸铜溶液置换反应来说明。 但是由于置换析出金属铜显示黑色，而不是红色。为了得到较纯的红色产物铜，减 少黑色物质的出现，利于教师课堂实