制取氫氧化銅實(shí)驗(yàn)的真?zhèn)涡蕴骄?/h1>
2021-09-15 22:49李旭娃姚富明
中學(xué)教學(xué)參考·理科版 2021年8期 關(guān)鍵詞：氫氧化銅
李旭娃 姚富明
[摘? ?要]初中化學(xué)教材分別在質(zhì)量守恒定律、化學(xué)方程式以及酸、堿、鹽教學(xué)內(nèi)容中，敘述了CuSO4溶液與NaOH溶液制取Cu（OH）2的實(shí)驗(yàn)。若根據(jù)其中敘述進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溶液濃度大時，要么得不到沉淀，要么得到復(fù)雜的沉淀。當(dāng)溶液濃度小時，制得的絮狀物質(zhì)不僅藍(lán)色淺，絮狀容易消失，而且最終得不到Cu（OH）2。為此引入過渡性物質(zhì)概念，證明了氫氧化銅的過渡性，用其分析教材中的實(shí)驗(yàn)為什么能得到藍(lán)色絮狀物質(zhì)，而最終得不到Cu（OH）2的原因，指出了這些實(shí)驗(yàn)敘述的不科學(xué)性，并找到了解決問題的辦法，提出了對教材和教參修改的建議。
[關(guān)鍵詞]氫氧化銅;制取實(shí)驗(yàn);過渡性物質(zhì);真?zhèn)涡?/p>
新版義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級上冊第111頁的實(shí)驗(yàn)3-9（下稱實(shí)驗(yàn)A），其內(nèi)容是：錐形瓶中裝入5 mL硫酸銅溶液，將裝有3 mL氫氧化鈉的注射器插穿膠塞。推壓注射器活塞至1 mL刻度處，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，反應(yīng)前后稱量比較。
該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的是：借助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握質(zhì)量守恒定律，理解生成Cu（OH）2的反應(yīng)原理，感知Cu（OH）2難溶和藍(lán)色絮狀的性質(zhì)，為書寫生成Cu（OH）2的化學(xué)方程式提供事實(shí)依據(jù)。由此可見此實(shí)驗(yàn)對于教學(xué)的重要性。然而對于該實(shí)驗(yàn)，教材和教參中并沒有對溶液濃度進(jìn)行說明，也沒有其他的限制條件。由此可推知，教材的編寫旨意是：不論濃度大小，只要將CuSO4和NaOH兩種溶液混合，就一定能得到Cu（OH）2。
那么，真實(shí)的反應(yīng)情況如何，有待進(jìn)一步的研究探討。
一、實(shí)驗(yàn)探究
硫酸銅溶液與氫氧化鈉溶液的混合，當(dāng)濃度大時，得不到氫氧化銅，得到的是Na2[Cu（OH）4]或復(fù)雜黏稠的混合物。顯然，該情況不適宜對氫氧化銅的認(rèn)識和研究。因此，氫氧化銅的制取只能用硫酸銅與氫氧化鈉的稀溶液。
既然實(shí)驗(yàn)1中不會得到Cu（OH）2，那么，混合后為什么會有藍(lán)色絮狀物質(zhì)呢？
二、生成物的復(fù)雜性
1.過渡性物質(zhì)概念的引入
前面所說的生成物，都是混合體系達(dá)到綜合平衡后的最終生成物。而當(dāng)兩種溶液剛混合后的生成物，情況更為復(fù)雜。
【實(shí)驗(yàn)3】取5支試管，編為1～5。向1號試管中加入2.5 mL 0.1 mol·L-1的CuSO4溶液，再加入1 mL? 0.1 mol·L-1的NaOH溶液。向2～4號試管中各加入20滴0.1 mol·L-1的CuSO4溶液，再分別依次加入0.1 mol·L-1的NaOH溶液31、35、39、43滴（為了充分觀察1號試管中的現(xiàn)象，將1號試管放在最后做）。其現(xiàn)象為：①都得到絮狀沉淀，不論振蕩與否，1號試管中的藍(lán)色明顯比5號試管中的淺，如圖1;②振蕩后比較，顏色從1號試管的淺藍(lán)色向5號試管的藍(lán)色過渡，即藍(lán)色依次變深，如圖2;③靜置約30分鐘，1號試管的絮狀消失，變?yōu)闇\藍(lán)色沉淀沉積于試管底部，而2～5號試管中的沉淀仍然分布于液面下大部分空間，如圖3。（1號試管中的沉淀最終會變?yōu)榉€(wěn)定的淺綠色物質(zhì)Cu4（OH）6SO4）[2] 。
實(shí)驗(yàn)3中的絮狀物質(zhì)都是Cu（OH）2。開始時在1～5號試管中的沉淀主要都是通過低條件反應(yīng)[3]生成的Cu（OH）2和Cu2（OH）2SO4的混合物。1號試管中的絮狀Cu（OH）2不穩(wěn)定，逐漸消失，而5號試管中的是穩(wěn)定的，具有持久性。競爭反應(yīng)中生成的不穩(wěn)定的物質(zhì)叫作過渡性物質(zhì)，相對地，生成的穩(wěn)定的物質(zhì)叫作永久性物質(zhì)。過渡性物質(zhì)是通過競爭反應(yīng)生成的，而永久性物質(zhì)有的是通過競爭反應(yīng)生成的（如實(shí)驗(yàn)3的5號試管中的Cu（OH）2），有的是通過過渡性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化生成的（如實(shí)驗(yàn)3的1號試管中的最終生成物Cu4（OH）6SO4）。
關(guān)于局部過濃、競爭反應(yīng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化的詳細(xì)論述，可參看“聚焦反應(yīng)過程研究堿式硫酸銅的有關(guān)問題”[3]一文，在此不再贅述。
2.過渡性物質(zhì)與永久性物質(zhì)的關(guān)系
由此可知，當(dāng)CuSO4溶液與NaOH溶液混合時，過渡性物質(zhì)與永久性物質(zhì)并非是固定不變的。在此條件下的過渡性物質(zhì)，在彼條件下可能是永久性物質(zhì)。在某條件下的某種生成物，可能既是過渡性物質(zhì)，又是永久性物質(zhì)。
因此，Cu（OH）2分為過渡性和永久性兩種。在實(shí)驗(yàn)1中開始生成的Cu（OH）2是過渡性物質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)2中生成的Cu（OH）2是永久性物質(zhì)，而在實(shí)驗(yàn)3的2～4號試管中的Cu（OH）2，既是過渡性物質(zhì)（即轉(zhuǎn)化的部分），又是永久性物質(zhì)（即剩余的部分）。
3.過渡性Cu（OH）2轉(zhuǎn)化的原因
可見，5號試管中的沉淀（永久性物質(zhì)）比1號試管中的（過渡性物質(zhì)）能更充分、更全面、更真實(shí)地反映Cu（OH）2的藍(lán)色絮狀特性。
三、教材實(shí)驗(yàn)的問題所在
既然如此，有什么理由不剔除虛假的實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>
教材對于涉及Cu（OH）2制取實(shí)驗(yàn)的編寫，沒有形成對于過渡性和永久性Cu（OH）2的認(rèn)識，只是利用了絮狀Cu（OH）2存在的普遍性，進(jìn)行簡單化、定性化的處理。其結(jié)果使教材的敘述與客觀實(shí)際不吻合，既不科學(xué)，又不利于學(xué)生對Cu（OH）2性質(zhì)的認(rèn)識和概念的形成。
四、問題的解決
經(jīng)實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，CuSO4和NaOH都用濃度為0.1∽0.3 mol·L-1的溶液時，所制得的永久性Cu（OH）2藍(lán)色鮮明，絮狀持久，是最理想、最適宜于教學(xué)的最佳選擇。
過渡性物質(zhì)概念的引入，可加深學(xué)生對Cu（OH）2的認(rèn)識，對于Cu（OH）2的教學(xué)以及有關(guān)問題的研究具有重要意義。
[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]
[1]? 《無機(jī)化學(xué)》編寫組.無機(jī)化學(xué)（下冊）[M].北京：人民教育出版社，1981.
[2]? 封享華，丁世敏，朱小麗，等.硫酸銅與氫氧化鈉反應(yīng)生成堿式鹽的研究[J].化學(xué)教育，2015（9）：67-69.
[3]? 李旭娃，黨文祥，吳小平.聚焦反應(yīng)過程研究堿式硫酸銅的有關(guān)問題[J].中學(xué)教學(xué)參考，2020（8）：55-57.
（責(zé)任編輯 羅 艷）
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[關(guān)鍵詞]氫氧化銅;制取實(shí)驗(yàn);過渡性物質(zhì);真?zhèn)涡?/p>
新版義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級上冊第111頁的實(shí)驗(yàn)3-9（下稱實(shí)驗(yàn)A），其內(nèi)容是：錐形瓶中裝入5 mL硫酸銅溶液，將裝有3 mL氫氧化鈉的注射器插穿膠塞。推壓注射器活塞至1 mL刻度處，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，反應(yīng)前后稱量比較。
該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的是：借助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，掌握質(zhì)量守恒定律，理解生成Cu（OH）2的反應(yīng)原理，感知Cu（OH）2難溶和藍(lán)色絮狀的性質(zhì)，為書寫生成Cu（OH）2的化學(xué)方程式提供事實(shí)依據(jù)。由此可見此實(shí)驗(yàn)對于教學(xué)的重要性。然而對于該實(shí)驗(yàn)，教材和教參中并沒有對溶液濃度進(jìn)行說明，也沒有其他的限制條件。由此可推知，教材的編寫旨意是：不論濃度大小，只要將CuSO4和NaOH兩種溶液混合，就一定能得到Cu（OH）2。
那么，真實(shí)的反應(yīng)情況如何，有待進(jìn)一步的研究探討。
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既然實(shí)驗(yàn)1中不會得到Cu（OH）2，那么，混合后為什么會有藍(lán)色絮狀物質(zhì)呢？
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實(shí)驗(yàn)3中的絮狀物質(zhì)都是Cu（OH）2。開始時在1～5號試管中的沉淀主要都是通過低條件反應(yīng)[3]生成的Cu（OH）2和Cu2（OH）2SO4的混合物。1號試管中的絮狀Cu（OH）2不穩(wěn)定，逐漸消失，而5號試管中的是穩(wěn)定的，具有持久性。競爭反應(yīng)中生成的不穩(wěn)定的物質(zhì)叫作過渡性物質(zhì)，相對地，生成的穩(wěn)定的物質(zhì)叫作永久性物質(zhì)。過渡性物質(zhì)是通過競爭反應(yīng)生成的，而永久性物質(zhì)有的是通過競爭反應(yīng)生成的（如實(shí)驗(yàn)3的5號試管中的Cu（OH）2），有的是通過過渡性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化生成的（如實(shí)驗(yàn)3的1號試管中的最終生成物Cu4（OH）6SO4）。
關(guān)于局部過濃、競爭反應(yīng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化的詳細(xì)論述，可參看“聚焦反應(yīng)過程研究堿式硫酸銅的有關(guān)問題”[3]一文，在此不再贅述。
2.過渡性物質(zhì)與永久性物質(zhì)的關(guān)系
由此可知，當(dāng)CuSO4溶液與NaOH溶液混合時，過渡性物質(zhì)與永久性物質(zhì)并非是固定不變的。在此條件下的過渡性物質(zhì)，在彼條件下可能是永久性物質(zhì)。在某條件下的某種生成物，可能既是過渡性物質(zhì)，又是永久性物質(zhì)。
因此，Cu（OH）2分為過渡性和永久性兩種。在實(shí)驗(yàn)1中開始生成的Cu（OH）2是過渡性物質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)2中生成的Cu（OH）2是永久性物質(zhì)，而在實(shí)驗(yàn)3的2～4號試管中的Cu（OH）2，既是過渡性物質(zhì)（即轉(zhuǎn)化的部分），又是永久性物質(zhì)（即剩余的部分）。
3.過渡性Cu（OH）2轉(zhuǎn)化的原因
可見，5號試管中的沉淀（永久性物質(zhì)）比1號試管中的（過渡性物質(zhì)）能更充分、更全面、更真實(shí)地反映Cu（OH）2的藍(lán)色絮狀特性。
三、教材實(shí)驗(yàn)的問題所在
既然如此，有什么理由不剔除虛假的實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>
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四、問題的解決
經(jīng)實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，CuSO4和NaOH都用濃度為0.1∽0.3 mol·L-1的溶液時，所制得的永久性Cu（OH）2藍(lán)色鮮明，絮狀持久，是最理想、最適宜于教學(xué)的最佳選擇。
過渡性物質(zhì)概念的引入，可加深學(xué)生對Cu（OH）2的認(rèn)識，對于Cu（OH）2的教學(xué)以及有關(guān)問題的研究具有重要意義。
[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]
[1]? 《無機(jī)化學(xué)》編寫組.無機(jī)化學(xué)（下冊）[M].北京：人民教育出版社，1981.
[2]? 封享華，丁世敏，朱小麗，等.硫酸銅與氫氧化鈉反應(yīng)生成堿式鹽的研究[J].化學(xué)教育，2015（9）：67-69.
[3]? 李旭娃，黨文祥，吳小平.聚焦反應(yīng)過程研究堿式硫酸銅的有關(guān)問題[J].中學(xué)教學(xué)參考，2020（8）：55-57.
（責(zé)任編輯 羅 艷）
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