“铜树”实验的实质是置换反应。笔者用最简陋的装置完成这个实验,并得到了点滴启示。
1、 实验过程
⑴装置:取一铝制易拉罐,剪去两底,取其铝片。擦去其表面的氧化物,之后将铝片剪成树状,并塞入事先洗净的雪碧塑料瓶中。取胆矾约25~30g加入雪碧瓶,之后注水,以没过树状铝片为宜,再拧紧瓶塞。装置如图1。
⑵现象:开始在铝片表面覆盖一层紫红色物质,之后该物质越来越多,最后成绒毛状,形成美丽的“铜树”。同时发现从铝片表面产生气泡,而且产生的气体越来越多。在此过程中,溶液的蓝色逐渐褪去,并有蓝色絮状沉淀生成。将该瓶靠近耳边,会听到“滋滋”作响;并有热感。反应一段时间后,点一根火柴,在火焰附近拧松瓶盖,会听到“嘭”的一声爆鸣。
2、实验分析
产生紫红色物质很容易解释,是Al与CuSO4发生了置换反应:2Al+3CuSO4=Al2(SO4)3+3Cu ,从而形成了美丽的“铜树”。但是为什么会产生气体?为什么生成铜与气体的速率比开始加快?很多学生在做该实验时可能未曾注意过这些现象。
原因解释:
⑴CuSO4的水解:Cu2++2H2O Cu(OH)2+2H+,所以该溶液呈酸性,与较活泼的金属铝发生反应:2Al+6H+=2Al3++3H2↑。随H+的消耗,Cu2+水解平衡右移,所以有蓝色絮状沉淀Cu(OH)2生成。
有些学生会有这样的疑问:Cu2+与H+共存同一溶液中,Cu2+的氧化性比H+强,铝能与H+反应吗?首先,Cu2+与H+的电极电位相差不大;另外,从反应速率的角度看:当一个体系内的多种物质与另一物质发生氧化还原反应时,往往是电极电位差大的先反应,电极电位差小的后反应,但不是绝对的。比如电极电位差大的,氧化还原反应速率极慢,而电极电位差小的反应速率却较快。从宏观上看,是电极电位差小的先发生。因此,该反应有可能同时发生。
⑵原电池反应:当部分铝表面生成一层铜后,两种活泼性不同的金属与硫酸铜溶液就形成了原电池。电极反应是:负极:Al-3e-=Al3+;正极:Cu2++2e-=Cu ,2H++2e-=H2↑。因此,我们观察到产生氢气与铜的速率加快了。
3、启示
⑴“铜树”实验不单单是简单的置换反应,还存在着上述化学变化。
⑵由于CuSO4的水解,H+浓度增加;又发生了原电池反应,因此使氢气的产生量与速率大大增加。我们也可用这种方法来制取氢气。
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