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1、突破教学中浓硫酸、浓硝酸与金属反应实验的疑难问题慈溪实验高级中学 赵承志 13586732307摘要：通过对化学课堂教学中学生学习浓硫酸、浓硝酸与金属反应中，碰到的一些实验疑难问题，提出一些课堂教学的简洁设计方案及教学意见及建议。关键词：化学教学；实验教学；浓硫酸；浓硝酸；疑难问题新课程教材以学生自主探究、合作学习为特点。改变了以往讲解式的教学情境，很多实验内容都变为学生自主学习，然后自我总结填写实验报告。高中化学必修1中浓硫酸、浓硝酸与金属反应的实验，在实际实验教学中，学生较多的遇到了诸多问题，成为学生学习中的难点。一、浓硫酸、浓硝酸的强氧化性使部分金属钝化在学习浓硫酸的强氧化性使铝铁等金属
2、钝化时。教材中介绍铝、铁等部分金属在通常情况下在浓硫酸中会产生“钝化”现象，即在金属表面形成一层致密的氧化膜，阻止金属继续与浓硫酸发生反应（即浓硫酸与金属铝铁冷常温下不反应）。在教学过程中，学生在接受“钝化”事实的同时，常会产生下列疑问： 金属铝、铁发生了钝化，发生了反应但没有明显实验现象，能用实验来证明吗？常温下将Cu片放浓硫酸中，同学们没观察到明显现象，学生提问：“Cu片遇浓硫酸是否也发生了钝化，阻止了反应的继续进行呢?” 金属元素中是否只有铁和铝能产生钝化现象？符合什么条件的金属才能产生钝化？ 只有浓硫酸才能使金属钝化吗？课堂上就学生提出的前两个问题进行了探究。师生共同提出下列疑问：如何
3、设计实验探究铝、铁发生了钝化？ 若Cu片放入浓硫酸中发生了钝化，则产生了何物？如何通过实验证明？ 师生共同讨论、设计得到下列方案： 将处理过的铝片（用氢氧化钠溶液或盐酸除去表面氧化膜，然后用清水洗净）投入到浓硫酸中，一段时间后取出，立即用蒸馏水洗涤干净投入到硫酸铜溶液中，观察现象。如果表面有红色的物质生成，说明没有钝化，如果表面没有红色物质，说明已钝化。（原理：3CuSO4 + 2Al = 3Cu + Al2(SO4)3 ），实验最科学的方法还是要参考实验化学金属铝表面氧化膜的实验探究，将去除氧化膜的铝片用清水清洗干净后，直接投入到浓硫酸中，以作对照。 用同样的方法：将Cu片放入浓硫酸中一段时
4、间后取出，立即用蒸馏水洗涤干净放入稀硫酸中，然后检查溶液中是否有Cu2+ 生成即可。 学生课后经过资料查找资料得知：（1）不仅铝、铁可以发生钝化。像Cr、Ni、Co等，其中最容易钝化的金属是Cr、Al、Fe。（2）不仅浓硫酸，其他强氧化剂如浓硝酸、重铬酸钾、高锰酸钾等强氧化性物质，都可以引起金属的钝化。钝化后的铁表面有致密的氧化膜不能从硝酸铜溶液中置换出铜。二、浓硫酸和浓硝酸与金属铜反应现象的“怪异”（一）铜与浓硫酸反应颜色变化的疑点：高一必修教材92页（如下图）有铜和浓硫酸反应的实验，现象需要我们师生实验后共同填写。我们实际操作后现象与理论有较大的差异。而且很多资料中描述：实验表明，浓硫酸与
5、铜在加热时能发生反应，放出能使紫色石蕊试液变红或使品红溶液褪色的气体，反应后生成物的溶液显蓝色。说明铜与浓硫酸反应时被氧化为Cu2+。事实上我们写出Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2+2H2O方程式表明硫酸铜溶液中应该是蓝色。但事实是：加热时随浓硫酸温度升高铜丝表面变黑，产生气泡，细小黑色颗粒状物质从铜丝表面进入浓硫酸中，形成黑色的悬浊液。随着加热温度继续升高（至沸腾），黑色颗粒状物质与浓硫酸反应，转变成细小灰白色的颗粒状物质，随浓硫酸一起翻滚。在此过程中试管里还产生了大量的白色酸雾，起初部分酸雾在试管上部内壁冷凝析出淡黄色固体物质。在持续加热浓硫酸（沸腾）时，淡黄色固体物质又慢慢消失
6、了。此间导气管导出的气体分别使紫色石蕊试液变红，使品红溶液和KMnO4溶液褪色。当铜全部反应后，停止加热静置时，试管内的烟雾也随之慢慢消失了，试管中的液体呈浅蓝色，管底沉积的固体物质呈灰白色。继续冷却试管时，溶液颜色慢慢变浅，至室温时几乎无色。将此无色溶液注入盛有少量水的试管中，所得溶液变为浅蓝色（有时候基本没有蓝色出现，因为硫酸铜基本不溶于浓硫酸）。再向残留有灰白色固体的试管中滴加少量蒸馏水时，所得溶液呈蓝色。师生共同提出疑问：（1）为什么试管底部铜片反应完，产物不是蓝色，而是白色？（2）反应过程固体中的黑色物质到底是什么？前面一个疑问比较好解决。该反应在非水环境中反应，溶剂是浓硫酸，所以硫
7、酸铜以固体形式出现在试管底部，也刚好应用浓硫酸的吸水性解释。后面一个问题需要进行师生探讨交流得到下面的猜想：铜有关可能黑色物质为：1、黑色的氧化铜 2、黑色的Cu2S 3、黑色的CuS设计实验方案解决： 假设为黑色氧化铜，只要进行一项操作，黑色固体加入到水中即可（浓硫酸过量稀释后仍有稀硫酸存在）。若完全溶解变为蓝色溶液证明。若蓝色固体变少，对可能物质重新进行检验。但是查阅资料告诉学生Cu2S和CuS难溶于水难溶于非强氧化性酸。需要提出新的定量实验进行确认。师生共同探讨：可以采用燃烧法。了解到负二价硫可以被氧化为高价，采用定量燃烧法，看质量是否发生改变。因为CuS燃烧后变氧化铜质量不变，若质量确
8、实有变小，必有CuS。最后有学生提出来硫酸到底多少浓就可以氧化金属铜，并且产生溶液为蓝色？教师引导：将问题设计成实验方案，课后带学生进实验室进行多次尝试实验，探究最佳反应浓度条件，可以出现溶液为蓝色。如下预先设计，并由学生填写实验报告：硫酸质量分数20%50%70%80%98%实验现象持续加热至明显浓缩才有现象，溶液变蓝，无黑色物出现，底部无白色固体。较长时间后才出现上述现象。煮沸后一段时间溶液变蓝色，无黑色物质出现。很快变蓝，有黑色物质出现，并有刺激性气味产生。很快变蓝，较快出现黑色物质，底部产生明显的灰白色固体。70%硫酸最佳浓度条件。我们引导学生猜想：因为硫酸是高沸点酸，加热条件下20%
9、的硫酸与铜不发生反应，为什么加热较长时间浓缩后才会有颜色变化？发生反应，这是必然的。（这个实验否定了一个常见的化学试题：足量的铜与含2molH2SO4 的浓硫酸反应，被还原的硫酸的物质的量为多少？传统答案就是1mol，学生猜想是不是有一种可能，反应稀释但在加热浓缩后继续反应，硫酸可以完全被还原。（二）、浓硝酸与铜反应实验的颜色疑点：实验我们共同发现：稀硝酸与铜反应缓慢，加热后反应较快，但产生溶液为蓝色。浓硝酸与铜反应不要加热，现象明显，反应迅速，但浓硝酸与铜反应后的溶液为绿色，与我们理论上硝酸铜溶液颜色为蓝色不同。我们将浓硝酸与铜反应后的绿色溶液加水后由绿色变为蓝色，颜色的变化，浓硝酸反应得到
10、溶液加水后颜色变化可能因什么原因引起？师生共同探讨，得到猜想：猜想1：颜色不同，是不是浓硝酸产生的硝酸铜溶液浓度大些，溶液显绿色。加水后硝酸铜中的铜离子稀释，溶液变蓝色。猜想2：颜色不同，可能是因为浓硝酸与铜产生的红棕色气体溶于蓝色硝酸铜导致的颜色叠加结果。加水后二氧化氮与水反应生成硝酸，二氧化氮去除，溶液自然变为蓝色。针对猜想1，师生共同讨论设计，可以将同质量的少量金属铜与足量相同体积的浓稀硝酸反应，当铜片反应完的时候，看颜色变化。因为硝酸铜溶液浓度基本一致，所以颜色若还是绿色和蓝色，明显就不是因为浓度大小引起。事实证明猜想错误。针对猜想2，有多种方案进行证明。方案1：取部分将浓硝酸反应后的
11、绿色溶液中再加入过量的铜丝，可以让铜丝反应完全，溶液变稀，溶解的二氧化氮溶于水，尽管铜离子浓度增大，但是结果我们可以见到溶液逐渐变成蓝色。方案2：取部分将浓硝酸反应后的绿色溶液中用吸耳球通过导管，吹入大量空气，反应次数要比较多，可以见到明显的绿色变蓝色。说明二氧化氮和氧气水生成了硝酸，去除了二氧化氮的影响。其实本方案个人认为还有一个可能，多次吹气后，二氧化氮被赶走一部分，溶液颜色变浅。方案3：取稀硝酸与铜反应后的溶液中通入大量的二氧化氮气体，溶液可以由蓝色变为绿色。证明绿色确实是二氧化氮与蓝色的叠加结果。方案4：取部分将浓硝酸反应后的绿色溶液加热，高温下驱赶二氧化氮气体，并且让过量的浓硝酸分解完全，释放掉二氧化氮。观察最终溶液颜色变化。教师的设计直接引导学生化学学习能力的提升。教师是引领者，带着学生自然的解决化学学习中的诸多“意外”，并从此习得化学知识。让学生从思考中来，带着问题进行化学学习，利用实验这个载体，探究获取真知。参考文献1王祖浩化学必修教材（苏教版）2王祖浩实验化学（苏教版）
