铜与常见酸反应边界浓度的探究

韦永华 钱胜 周宗敏

摘要： 以铜与各种酸发生反应时所需浓度作为探究内容，通过系列实验，发现铜分别与盐酸、硫酸开始发生反应的起始浓度、铜与硝酸反应生成NO的浓度以及与硝酸反应生成NO2的浓度，并得出相应结论。对实验及结论进行了讨论。

关键词： 铜与酸反应; 边界浓度; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2021）02-0067-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题提出

金属与酸反应是中学化学教学的重要内容，我们从《无机化学》[1]中查阅到下面的一段文字： 例如硝酸和铁反应，随着硝酸浓度的增大，产物中NH3（酸性介质中为NH+4）的含量逐渐减少。当硝酸的浓度达到40%时，NH3已不存在，此时主要产物为NO，其次为NO2和微量的N2O。当硝酸的浓度增大到56%时，其还原产物主要是NO2。当硝酸浓度增大到68%时，则不再与铁反应而钝化。具体情况如图1所示。

由此引发思考： 在常见的金属中，铜扮演着重要的角色。相对于铁和铝易与浓硫酸（浓硝酸）发生钝化反应相比，它与非氧化性的稀酸不反应的事实更符合金属活动性顺序。所以，在各种版本的现行高中教材中都有铜与酸的相关反应。但这里的濃或稀是一种相对概念，浓到什么程度叫做“浓”，稀到什么程度又称之为“稀”？经查阅众多资料，对于铜能与多大浓度（我们称之为“边界浓度”）的各种酸反应，仍没有找到令人满意的答案。本文想从实验的角度，来研究铜能与何种浓度的盐酸、硫酸反应？铜与何种浓度的硝酸反应主要生成NO？能生成NO2的边界浓度又是多少？等等。需要说明的是，下面的实验均被反复重做多次，其重现性良好，故实验现象及相关结论是可靠的。

2  实验部分

2.1  实验药品及仪器

药品： 铜片、浓盐酸、浓硫酸、浓硝酸、蒸馏水、石蜡油、氨水

仪器： 试管、酒精灯、量筒、试管夹、铁架台、烧杯、石棉网

2.2  铜与不同浓度盐酸溶液反应的边界浓度

由于铜的活动性，使其通常情况下不能与稀盐酸反应。但若选用铜片或铜丝与浓盐酸混合并加热，则发生反应： 2Cu+8HCl2H3[CuCl4]+H2↑;若改用铜粉，则发生反应： 2Cu+4HCl2H[CuCl2]+H2↑[2]。原因是Cl-具有较强的配合作用，在一定条件下，浓盐酸中的Cl-与Cu+结合生成[CuCl2]-、 [CuCl3]2-、 [CuCl4]3-等，同时产生的氢气逸散，双重因素共同影响，使反应的平衡正向移动。上述文献从理论角度说明了铜能与浓盐酸反应的客观事实。为了验证多大浓度的浓盐酸能与铜反应，我们进行了如下探究实验。

把市售浓度为37%、密度为1.18g/cm3的浓盐酸，与水分别按体积比为10∶0， 9∶1， 8∶2……0∶10混合，配制成各种浓度的盐酸。取10支试管，分别加入适量相同大小的光亮铜片，把配好的各种浓度的盐酸分别倒入试管，浸没铜片。为了减少HCl的挥发及空气中的O2可能对实验带来的影响，在混合物上加一层石蜡油液封。把酒精灯调至小火，小心持续加热，使盐酸处于微沸状态30min。然后，把观察到的实验现象记录于表1（注： 为了方便列表，空白实验没有在表中列出，后续硫酸和硝酸没有进行空白实验）。

为了尽可能减少HCl挥发对溶液浓度的影响，我们把加热方式改成沸水浴加热，产生气泡的现象虽不如直接加热明显，但溶液颜色的变化趋势与上表所述基本一致。为了找到更精确的反应边界浓度，我们又补做了介于12%～16%之间的14%的盐酸与铜加热后的反应，溶液几乎呈无色。取反应后的黄色溶液少许，逐滴加入过量浓氨水。开始滴加氨水的一瞬间，在溶液表面，液滴周围出现淡淡的蓝色，振荡后蓝色消失，继续滴加氨水至过量，溶液呈极浅的蓝色。

理论分析： 第一，当溶液中兼含Cu2+和Cu+与Cl-形成的配离子时呈酱色，当在较低浓度时显淡黄色至几乎无色，与实验中所观察到的现象一致。第二，以[CuCl4]3-为例（其他络离子类似），在溶液中存在如下的平衡[3]： [CuCl4]3-Cu++4Cl-， Cu+与氨水生成无水配合物[Cu（NH3）2]+，[Cu（NH3）2]+很快被空气中的氧气氧化生成深蓝色的[Cu（NH3）4]2+，反应如下：

4[Cu（NH3）2]++8NH3+O2+2H2O4[Cu（NH3）4]2++4OH-从而证明铜与浓盐酸发生了反应。

结论： 加热时，盐酸与铜反应的边界浓度为14%～16%。当盐酸的浓度小于14%时，通常认为不与铜反应，而浓度大于16%时，铜与盐酸可以反应生成氢气。从文献[4]中查到： 溶质质量分数超过20%的盐酸称为浓盐酸。如果以能否与铜在加热条件下反应来界定浓、稀盐酸，我们的实验数据与文献有一定差异，这应该是界定的方式不同所致。故教学中，也不宜死抠“浓盐酸”和“稀盐酸”的区别。

2.3  铜与不同硫酸溶液反应的边界浓度

铜与稀硫酸也不能反应，且SO2-4的配合能力远不及Cl-，所以不存在由于硫酸的浓度增大而与铜反应生成氢气的可能性。但铜能与一定浓度的硫酸反应是不可辩驳的事实。为研究铜与硫酸反应的边界浓度，我们延续了前面的实验思路。把市售浓度为98%、密度为1.84g/cm3的浓硫酸，与水分别按体积比为9∶1， 8∶2……0∶10混合，配制成各种浓度的硫酸溶液，并计算出其浓度。取大小相同的光亮铜片，依次加入配制好的各种浓度的硫酸中，用酒精灯充分加热，观察到的实验现象如表2所示。

从表2中可以看出，63%的硫酸溶液不与铜反应，而72%的硫酸溶液则能与铜反应。为了找到更精确的边界浓度，我们把63%～72%范围内的浓度又细分为65%、 67%和69%，重复上述实验，其结果如表3所示。

结论： 硫酸与铜片反应的边界浓度在63%～65%。即加热时，当硫酸的浓度大于65%时，铜片与浓硫酸能发生显著的反应，而硫酸的浓度小于63%时，则铜片不能与硫酸发生显著反应。

在文献[5]中查到： 浓硫酸是指质量分数大于或等于70%的硫酸，与本实验所得出的边界浓度接近。所以，70%的硫酸被认为是浓硫酸，在本实验中是可以接受的。

2.4  铜与硝酸反应的边界浓度

除镁、锌与一定浓度的稀硝酸反应生成少许氢气外，各种浓度的硝酸与其他金属反应，几乎没有氢气生成。又由于氮元素形成的化合物種类众多，使得硝酸与各种金属反应的还原产物很复杂。一般说来，浓硝酸与金属反应，不论金属活泼与否，它的主要产物是NO2，倘若是活泼金属（如锌、镁）与稀硝酸反应的主要产物是N2O，极稀的HNO3与活泼金属反应，则被还原为NH+4[6]。而铜与浓（稀）硝酸反应是中学十分常见的反应，为了探究生成NO等物质时硝酸的边界浓度，进行了如下实验。

同样，把市售浓度为68%、密度为1.4g/cm3的浓硝酸，与水分别按体积比为9∶1， 8∶2……0∶10混合，配制成各种浓度的硝酸。取大小相同的光亮铜片，依次加入配制好的各种浓度的硝酸中，静置，观察到的现象记录如表4所示。

依据上表，只能得出26%的硝酸与铜反应会生成NO2的结论，而在18%～26%之间仍有很大的浓度范围值得研究。与前面的探究思路相似，我们又精准地配制20%、 22%和24%的硝酸，重复上述实验（实验现象不再赘述），可得出如下结论：

当硝酸浓度小于或等于20%时，铜与硝酸溶液反应几乎只生成NO，而高于此浓度则可明显观察到有红棕色气体生成，随着硝酸的浓度增加，生成NO2的比例会越来越大，气体的颜色也更浓，但由于NO的无色易被NO2的红棕色所掩盖，故用本文的实验仍无法确定在产物中NO和NO2的比例，也无法确定只生成NO2的边界浓度，这也是本实验的局限性所在，愿意就此问题与同行们进行更为深入的探讨和交流。

参考文献：

[1][3][6]古国榜， 李朴主编. 无机化学（第二版）[M]. 北京： 化学工业出版社， 2003： 345～346， 252.

[2]姚守拙， 朱元保， 何双娥， 聂利华. 元素化学反应手册[M]. 湖南： 湖南教育出版社， 1998： 773.

[4]https：//baike.baidu.com/item/%E6%B5%93%E7%9B%90%E9%85%B8/10341499？fr=aladdin.

[5]https：//baike.baidu.com/item/%E6%B5%93%E7%A1%AB%E9%85%B8.