金属铜置换硫酸中氢的简易方法

金属铜置换硫酸中氢的简易方法

设计金属铜硫酸钠交换方法，不仅有助于充分认识和深刻理解外部因素对氧化还原反应的影响规律，而且为更好地理解和灵活运用这些规律提供了新的实验依据。同时，它还积极促进课堂研究和科学研究的有机结合。本文介绍用金属铜置换稀硫酸中氢的一种简捷、有效方法。1实验设备2气体的提取和测定(1)用头发丝的一端捆住铜屑,另一端捆在硬铁棒的一端。(2)将硬铁棒的另一端自试管塞小面插穿试管塞并固定在试管塞中。(3)向具支试管中依次加入6g硫脲和4mol/L硫酸10mL后充分振动试管,再把大试管固定在铁架台上。(4)盖好试管塞,推拉铁棒调节高度,以使铜屑浸入混合液下的一定位置。(5)点燃酒精灯。(6)用排水法收集产生的气体并验纯。(7)做气体的验证实验。(8)实验完毕,首先将硬铁棒往上提,使铜屑脱离酸液面,再熄灭酒精灯。3气体试验(1)爆鸣症与适当空气混合后点燃能发出爆鸣。(2)燃油消费经验纯后的气体在空气中能安稳燃烧,进一步检验其产物只含水。经上述检验,结果表明实验中所产生的气体确实是氢气。4实验反应原理上述实验的反应原理如下:该反应原理可以通过下列理论分析和计算得到满意解释。5离子强度i对其离子活度系数的影响由于溶液中cH+较大,相应H+的氧化性有所增强:更为重要的是因为亚铜离子Cu+易与硫脲S=C(NH2)2结合生成在酸性溶液中稳定的配离子[Cu(S=C(NH2)2)4]+,实质上也就是大大地降低了Cu++e–⇌CuCu++e–⇌Cu的Cu+的浓度,使金属铜Cu的还原性显著提高,因而导致本实验能够顺利进行。我们还能运用计算的方法,进一步说明本实验成功的必然性。首先计算正极电对的电极电势φH+/H2。φH+/H2=φθH+/H2+0.0592lgc(H+)/cθ(P(H2)/Pθ)1/2(1)φΗ+/Η2=φΗ+/Η2θ+0.0592lgc(Η+)/cθ(Ρ(Η2)/Ρθ)1/2(1)稀溶液中,在一定的离子强度范围内,尽管离子的活度系数随离子强度的增大而减小,但是,当离子强度I高到一定数值时,由于同性电荷离子间的斥力和在原始水化层中结合到离子上的水分子使得离子具有相当大的有效体积,导致离子的活度系数经过一最小值后又回升,甚至可大于1。为了讨论方便,计算过程中没有考虑离子强度对溶液中离子的活度系数的影响。(1)式中由于φθH+/H2Η+/Η2θ=0.000V,现设c(H+)=8mol/L,P(H2)=101.325kPa代入其中计算得:φH+/H2=0.053V再计算负极电对的电极电势φCu+/Cu为:φCu+/Cu=φθCu+/CuCu+/Cuθ+0.0592lgc(Cu+)/cθ(2)由于Cu++4S=C(NH2)2⇌[Cu(S=C(NH2)2)4]+K稳=2.51×1015[2~5]Cu++4S=C(ΝΗ2)2⇌[Cu(S=C(ΝΗ2)2)4]+Κ稳=2.51×1015[2~5]因此,c(Cu+)=c([Cu(S=C(NH2)2)4]+)K稳×c4(S=C(NH2)2)(3)c(Cu+)=c([Cu(S=C(ΝΗ2)2)4]+)Κ稳×c(S=C(ΝΗ2)2)4(3)把K稳=2.51×1015,并令c([Cu(S=C(NH2)2)4]+)=0.1mol/L,c(S=C(NH2)2)=0.1mol/L代入(3)式计算得:c(Cu+)=3.984×10-13mol/L再把c(Cu+)=3.984×10-13mol/L,φθCu+/CuCu+/Cuθ=0.52V代入(2)式计算得:φCu+/Cu=-0.214V最后计算反应(c)式的电动势:E=φH+/H2-φCu+/Cu=0.053V-(-0.214V)=0.267V>0.2V上述理论分析和计算结果充分表明,创造合适的反应条件,是可以用金属铜置换稀硫酸中的氢的。6金属铜置换稀硫酸中氢实验的设计与研究对高校的启示(1)在一定量硫脲的存在下金属铜置换稀硫酸中的氢是可行的,不仅仪器简单,操作方便、材料易得、现象明显、效果好,而且反应速度和气体发生量可控,能有效地控制或能尽最大限度减少可燃气体向空中的飘逸,另外伴随因硫脲水解而产生的少量硫化氢用碱石灰吸收,对环境友好,提高了实验的安全性、可靠性。(2)通过对金属铜置换稀硫酸中氢实验的设计与研究,可使教师的教学活动与自身的科研活动有机地结合起来。它既达到了“高校必须要以教学带科研,以科研促教学,不断提高教学层次”的目的,又活跃了课堂教学气氛,还为当前深入开展课改、教改工作拓宽了思路,为今后如何尽量多地开设研究型课程创造了良好条件,同时也为充分调动教师的科研、教改积极性提供了有益启示。(3)通过对金属铜置换稀硫酸中氢实验的设计与研究,向学生介绍了获取书本知识的科学方法和进行科学研究的思维方式,变枯燥乏味的理论知识为充满生机活力、丰富有趣的实践活动,使理论与实际紧密地联系起来了。不仅激发了学生的学习热情和求知欲望,而且对培养学生的创新意识、创新精神和促进学生的灵活运用能力、创造性思维能力的提高都起到了积极作用。(4)尽管氢气不是有