Al与CuCl2溶液反应的数字化实验探究

Al与CuCl2溶液反应的数字化实验探究 邓 伟 张 勇 徐兰芳（安徽省亳州市第一中学 安徽 亳州 ）中学化学教学教学参考2003年第6期发表了张勇等老师Al与CuCl2溶液反应的实验探究1的论文，该实验的探究过程使用的都是传统的化学仪器，大都是定性的判断和理论分析，现在我们用数字传感技术对该实验重新探讨，进行比较研究，取得了更直观的实验现象，更精确的实验数据，引发了更多的理论思考。一、实验仪器和药品铝片、CuCl2溶液、AlC3溶液、氨水、磁力搅拌器、100 mL 小烧杯、锥形瓶、pH传感器、温度传感器、压力传感器，数据采集器、计算机等。二、实验步骤及现象1取30 mL CuCl2溶液于小烧杯中，放入磁子，放在磁子搅拌器上并开启磁子搅拌器，将pH传感器和温度传感器与数据采集器、计算机连接好后插入CuCl2溶液中。一切准备就绪后，向小烧杯中加入几片铝片，反应开始后，点击数据采集按钮进行数据采集。 图（1）氯化铜溶液与铝片反应产生大量气体，放出大量的热，温度急剧上升，溶液由绿色迅速变为灰色的浑浊液体，最终溶液又变澄清，析出大量红色固体。用温度传感器测得的温度变化如图（1）所示，发现反应开始后温度很容易达到70 以上，若让反应持续进行，可接近100。（其中，上面的一条曲线为180秒后继续采集的温度，温度维持在90 以上，直至反应基本结束。）在用pH传感器测氯化铜溶液与铝片反应的pH变化时，其pH变化如图（2）所示，（其中下面的一条曲线是180秒后继续采集的pH变化，）反应结束时，溶液显较强的酸性。整个过程pH变化不大，氯化铜溶液一开始显示较强的酸性，后来仍然显示较强的酸性，但整体的变化趋势是下降的。图（2）将充分反应后的溶液静置后过滤，可得到澄清透明的溶液，加氨水产生白色絮状沉淀，应为氯化铝溶液。2. 取30 mL CuCl2溶液于一小锥形瓶中，放入几片铝片，等反应一段时间后，将与数据采集器、计算机连接好的压力传感器插入锥形瓶，得到压力随时间变化的曲线，变化曲线如图（3）所示。图（3）三、实验现象分析1. 氯化铜与铝的反应是一个放热反应，反应开始后，温度快速上升。由于温度升高，加快了化学反应速率。同时，该反应置换出的大量铜单质又和铝片构成了原电池，也会大大加快化学反应速率。实验过程会发生如下一些反应：（1）2Al + 3Cu2+ = 2Al3+ + 3Cu（2）Cu2+ +H2O Cu(OH)+ + H+（3）2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2（4）Al2O3 + 6H+ = 2Al3+ + 3H2O 其中反应（1）和反应（3）既发生置换反应，又发生了原电池反应，影响化学反应速率的因素是多方面的。2. 经过不同浓度的对比实验，发现氯化铜的浓度越大，化学反应速率越快，若将铝片放入接近饱和的氯化铜溶液中会立即引发剧烈反应。若继续加入过量的铝片，最后得到的是粘稠状的红棕色的固体，无法再测pH。所以建议用浓度稍稀的氯化铜溶液进行该实验的探究。3. 经过对比实验发现，将不同浓度的氯化铜溶液滴在铝片上，氯化铜的浓度越大，引发反应的时间越短，反应越剧烈。若将氯化铜的稀溶液滴在去除氧化膜的铝片上，发现能立即引发反应，而若将氯化铜的稀溶液滴在未去处氧化膜的铝片上，则引发剧烈反应的时间较长。可见，在氯化铜与铝片反应时，破坏氧化膜是关键的一步，发生的反应为上述反应（4）。4. 氯化铜和氯化铝都是强酸弱碱盐，水解都会显较强的酸性，所以在反应前后溶液的pH变化不大。5. 对氯化铜溶液和氯化铝溶液加热的同时测其pH变化，发现其pH也是变化不大，略微下降。6. 在反应过程中，溶液的颜色由绿色变为灰绿色，然后是灰色浑浊的悬浊液，充分反应后，溶液又变澄清。浑浊度增大的原因是铝片在反应过程中变成了颗粒状的铝单质，细小的铝颗粒显灰黑色。三、存在的问题1. Al与CuCl2溶液的反应既会析出大量的铜，又会产生大量的氢气，到底以哪个反应为主还需要进一步探究。当年张勇等老师曾提出该反应可用于实验室快速制取氢气，但由于氯化铜的价格较高，建议改用价格相对便宜的硫酸铜。2. 因为加热既会促进盐类的水解，也会使水的离子积常数变大，其结果都会使溶液的pH变小，并且在整个过程中Cu2+的浓度逐渐减小，Al3+的浓度逐渐增大，所以该反应过程中pH变小的真正原因也需要进一步探究。参 考 文 献:1张勇,袁廷新. Al与CuCl2