劉曉愚+丁偉+宗華

摘要：采用定性和定量相結合的方法，對鐵粉和氧化銅與足量稀硫酸反應進行了實驗研究。探尋鐵粉和氧化銅用量的差異及不同硫酸濃度對反應先后順序的影響；根據(jù)酸堿理論、氧化還原標準電極電勢以及化學動力學等角度進行分析，得出了實驗結論及適宜的反應條件。旨在為初中化學教學提供相關的實驗和理論依據(jù)。

關鍵詞：鐵粉；氧化銅；稀硫酸；競爭反應；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）6–0076–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在初中教學中，往往需要判斷鐵粉和氧化銅與足量的稀硫酸反應后溶液中溶質的成分。學生對這個混合體系中反應先后順序的認識不同，部分學生認為鐵粉比氧化銅活潑，所以鐵粉先和稀硫酸反應，當鐵粉反應完后氧化銅再和稀硫酸反應；也有學生認為鐵粉和氧化銅同時與稀硫酸發(fā)生反應，沒有先后之分，因此得出的結論也各不相同。究竟在鐵粉和氧化銅與稀硫酸的反應中有沒有競爭關系？鐵粉和氧化銅物質的量的差異及硫酸濃度的不同會不會導致結果不同？本文對于這些問題進行了實驗研究。

1 實驗探究

1.1 不同量鐵粉和氧化銅與足量1mol/L稀硫酸反應

（1）實驗藥品：鐵粉（上海光鏵科技有限公司化學試劑分公司，分析純）、氧化銅（上海凌峰化學試劑有限公司，化學純）、98%濃硫酸（昆山晶科微電子材料有限公司，分析純）

（2）實驗儀器：電子天平、藥匙、量筒（100mL，50mL，25mL，10mL）、膠頭滴管、燒杯（100mL）

（3）實驗方案及現(xiàn)象（見表1）

實驗1-1中，鐵粉與氧化銅物質的量之比為1：2，在混合粉末中加入足量的稀硫酸后，立即觀察到紅色固體產(chǎn)生，無氣泡冒出，充分反應后的混合物取上層清液，溶液顏色為藍色。這一實驗事實說明氧化銅先與稀硫酸反應生成硫酸銅，然后鐵粉與硫酸銅發(fā)生置換反應，生成硫酸亞鐵和單質銅，由于氧化銅量多，因此硫酸銅沒有被完全置換，上層清液呈淺藍色。在此過程中，鐵粉沒有與稀硫酸發(fā)生化學反應就已被消耗完。

實驗1-2中，鐵粉與氧化銅等物質的量混合，加入足量稀硫酸，得到了與第一個實驗幾乎相同的現(xiàn)象。唯一的區(qū)別是，充分反應時鐵粉恰好將生成的硫酸銅完全置換生成硫酸亞鐵和單質銅，因此上層清液呈淺綠色。

實驗1-3中，鐵粉與氧化銅物質的量之比為2：1時，在混合粉末中加入足量稀硫酸后同樣先生成紅色固體，當紅色固體不再增加后，鐵粉再與稀硫酸反應生成氫氣，以氣泡形式逸出。氣泡逸出速度不隨硫酸消耗而減慢，認為鐵、銅和稀硫酸形成了原電池，產(chǎn)生原電池效應。

（4）實驗結論

從上述三個實驗現(xiàn)象中可以得出，在硫酸足量且濃度為1mol/L的情況下，無論鐵粉的物質的量是小于、等于還是大于氧化銅的物質的量，反應間均存在競爭關系，其先后順序如下：氧化銅先與稀硫酸反應生成硫酸銅，鐵粉再與硫酸銅發(fā)生置換反應，如果鐵粉剩余再與稀硫酸反應生成氫氣。

1.2 鐵粉和氧化銅與不同量稀硫酸反應

（1）實驗藥品：同1.1（1）

（2）實驗儀器：同1.1（2）

（3）實驗方案與現(xiàn)象（見表2）

實驗2-1中硫酸濃度為2mol/L，實驗現(xiàn)象與1-2使用1mol/L硫酸無明顯區(qū)別。

當實驗2-2中硫酸濃度達到3mol/L時，紅色固體和大量氣泡同時產(chǎn)生，觸摸到燒杯外壁明顯發(fā)燙。硫酸濃度的增加使得鐵粉與稀硫酸反應速率大大加快，因此鐵粉和氧化銅粉末接觸硫酸的瞬間同時發(fā)生反應。然而氣泡很快不再產(chǎn)生，紅色固體持續(xù)析出，說明鐵置換硫酸銅的反應占據(jù)了上風。由于鐵粉尚未將硫酸銅置換完全，反應結束后上層清液為淺藍色。

實驗2-3中，加入6mol/L的硫酸后立即生成紅色固體，瞬時產(chǎn)生大量氣泡并放出大量的熱。反應的過程中，不斷生成紅色固體并持續(xù)冒出細小氣泡，反應結束后上層清液為淺藍色。該實驗現(xiàn)象表明，硫酸濃度增大到一定程度后，動力學因素起決定作用，三個反應同時發(fā)生。

（4）實驗結論

通過以上三個實驗可以發(fā)現(xiàn)，當鐵粉和氧化銅粉末物質的量相等時，硫酸濃度的增加會加快鐵與硫酸的反應速率：當硫酸濃度為3mol/L時，鐵粉同時與硫酸銅和硫酸發(fā)生反應，但大量氣泡瞬時逸出后就不再產(chǎn)生，與此同時，單質銅在不斷地析出，說明瞬時過后鐵粉已轉為和硫酸銅反應。當硫酸濃度為6mol/L時，氧化銅和硫酸、鐵粉和硫酸、鐵粉和硫酸銅的反應同時發(fā)生，直至鐵粉耗盡。而硫酸濃度較?。?mol/L）時無氣泡產(chǎn)生，說明對鐵和硫酸反應速率無影響。

2 理論分析

根據(jù)Lewis酸堿理論和HSAB理論，硬酸與硬堿優(yōu)先結合，因此氧化銅最先與稀硫酸反應生成硫酸銅和水。而鐵與硫酸銅和鐵與稀硫酸的反應屬于氧化還原反應，查標準電極電位表可知：

對于實驗2-2和2-3現(xiàn)象和電動勢計算不符的情況，從化學反應動力學角度能夠得到合理的解釋。鐵和稀硫酸的反應屬于基元反應，反應速率ν=kcFecH2SO4。從速率方程可以得到，鐵和稀硫酸的反應速率與硫酸濃度成正比。當硫酸的濃度不斷增加，鐵和硫酸的反應速率不斷加快，硫酸濃度達到3mol/L時，鐵和硫酸、鐵和硫酸銅的反應同時發(fā)生，因此，觀察到紅色固體和大量氣泡同時產(chǎn)生。但隨著反應進行，硫酸濃度下降，反應速率降低，動力學因素對于鐵與硫酸的反應影響減弱，以熱力學因素為主，鐵與稀硫酸的反應停止，直至硫酸銅耗盡，剩余的鐵粉才繼續(xù)與稀硫酸反應。當硫酸濃度為6mol/L時，鐵和硫酸、鐵和硫酸銅同時發(fā)生反應，反應過程中硫酸濃度降低不顯著，因此觀察到生成紅色固體的同時有細密的氣泡產(chǎn)生。

3 實驗結論

（1）在鐵粉和氧化銅的混合物中加入足量1mol/L稀硫酸，當鐵粉的物質的量小于、等于或大于氧化銅的物質的量時，反應順序均為氧化銅先與硫酸反應生成硫酸銅，鐵粉將硫酸銅中的銅置換出來，如果鐵粉剩余，再與稀硫酸反應生成氫氣。

（2）當鐵粉和氧化銅等物質的量時，硫酸的濃度會對鐵和稀硫酸的反應速率造成一定影響，當硫酸濃度大于2mol/L時，會加快鐵粉與稀硫酸的反應速率，導致鐵粉同時與硫酸銅和硫酸反應。為避免鐵粉同時與硫酸反應，建議反應使用的稀硫酸濃度不超過2mol/L。

本研究采取定性與定量相結合的實驗方式，研究了鐵粉和氧化銅與足量稀硫酸反應間的競爭關系，通過探究和分析得到了各反應之間的先后順序，并給出了實驗適宜的稀硫酸濃度范圍。該體系中反應先后順序的確定，解決了困擾多年的問題，旨在給初中教師的教學提供相關的實驗和理論依據(jù)[1，2]，并對堿性氧化物和金屬同時與酸反應這一類問題的研究，提供一定的借鑒意義[3，4]。

參考文獻：

[1]朱傳征，高劍南.現(xiàn)代化學基礎[M].上海：華東師范大學出版社，1998：199.

[2]華彤文，王穎霞，卞江，陳景祖.普通化學原理（第四版）[M].北京：北京大學出版社，2014：473.

[3]劉智成.現(xiàn)代酸堿理論在有機化學中的應用[J].化學教育，2010，（6）：9～12.

[4]劉連亮.高中化學中“競爭反應”的歸類解析[J].化學教學，2012，（12）：67～68.