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减少锌与硫酸铜置换反应中出现黑色物质的探究

摘要：初中化学教材指出锌置换出硫酸铜溶液中的铜，现象是银白色的锌片表面出现红色固体产物，而实际实验无论用锌片还是锌粒，反应所得产物均会有大量黑色固体覆盖在锌片表面，这显然与教材所说并不一致。鉴于此，本研究通过控制变量法反复进行实验探究，发现减少反应中黑色物质的生成受硫酸铜溶液的配制影响，且与硫酸铜溶液的浓度有一定的关系。当硫酸铜溶液的配制用氧化铜与稀硫酸反应而制得，且配置所得硫酸铜溶液浓度要在0.6mol/L左右时，硫酸铜溶液与锌片反应出现黑色物质几乎为零，红色产物较纯，用于教师教学实验演示效果明显。

关键字：锌铜置换，黑色产物，红色产物

引言：众所周知，锌与硫酸铜的置换反应是中学教学置换反应的一个典型的范例。当锌片放入到硫酸铜溶液中时，从初中参考教材中对锌与硫酸铜溶液反应的实验现象描述和课本所提供的参考图片上可以看出，在该反应中锌将铜单质从其化合物中置换出来形成了漂亮的铜树，非常形象而直观。但在现实实验操作中，观察到的现象是从硫酸铜溶液中置换出来的产物总是松弛地附着在锌片上，且总是呈现灰黑色。理论上锌片表面应该有红色物质析出，但是无论是在文献上，还是中学教学实际中均有该实验现象不明显或者产物出现大量黑色物质的的报道。这是什么原因造成的呢？为了方便教学演示，又如何改进或优化实验操作使其现象更加直观明显呢？面对知识水平有限的初中生，教师客观上无法给学生以圆满的解释，这既给授课带来困难，又易使学生产生误解。鉴于此，带着这个疑问，众学者们对其异常现象进行分析探究。有部分学者对影响实验结果的因素包括：硫酸铜溶液的溶氧量、硫酸铜溶液的酸碱度以及反应温度的条件控制等方面进行了探究，但结果分析都不甚明确，实际用于教学课堂演示仍有欠缺之处。本着对科学实验探究以及科学认知的正确性，帮助中学生了解和认知问题的本质答案，锌与硫酸铜的置换反应的产物再探究以及如何减少黑色产物出现的研究必将起到重大意义。基于这样的原因，本文采用控制变量法：第一步探寻出适合反应的硫酸铜溶液浓度；第二步在此基础上以其浓度作为反应的标准浓度，配制反应所需的稀硫酸的浓度；第三步计算出反应出现较理想的结果时配制所得硫酸铜溶液的浓度；第四步尝试其他浓度稀硫酸与氧化铜新制所得的硫酸铜溶液反应结果探究；研究结果表明减少反应中黑色物质的生成，需要用稀硫酸与氧化铜反应新制得的硫酸铜溶液，且配置所得的溶液浓度要在0.6mol/L左右，此时的黑色产物几乎为零，产物形成较为立体宏观的铜树。

一、产生黑色物质的影响因素探究

锌置换硫酸铜溶液中的铜时，会有大量黑色物质出现，其中原因是受硫酸铜溶液浓度以及反应温度的影响。于是设计以下实验进行探究：

(一)探究硫酸铜溶液浓度对实验结果的影响

实验采用控制变量法进行，即保持其他外界条件相同，用相同体积、不同浓度的硫酸铜溶液与相同大小的锌片进行置换反应，观察并记录结果；.实验过程与设计步骤

(

1)实验选用五水硫酸铜晶体溶于蒸馏水中，配制出所需浓度的硫酸铜溶液。配制硫酸铜溶液浓度分别为0.05、0.1、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.4mol/L以及饱和硫酸铜溶液；

(2)选取相同体积、不同浓度的硫酸铜溶液于大小一致的烧杯中，再放入用砂纸打磨过的大小相同的锌片，观察反应现象并记录反应出现红色产物的时间；

(3)各浓度硫酸铜溶液与打磨过的锌片反应部分结果记录：

2.现象记录与结果分析

实验现象表明，最初具有金属光泽的锌片放入硫酸铜溶液中立即会有黑色物质附着在其表面。随着反应时间的进行，黑色逐渐加重至CuSO浓Zn片表面由Zn片表面由度光泽变全黑全黑变全红

由于溶液配制误差以及手工实验操作误差，上述时间记录均为大约记录时间。

从记录结果以及实验现象可以看到：

?一定范围内，随着硫酸铜溶液浓度的增大，置换得到红色产物所用的时间会减少。但当浓度超过一定范围，随着浓度的增大，置换得到的红色产物所用时间会增大；

?反应相同浓度下的硫酸铜溶液与同样大小打磨过的锌片反应，反应时间越长，所得到的红色产物越纯；

?实验发现用砂纸打磨过的锌片与新制饱和硫酸铜溶液发生的置换反应出现红色产物现象相对明显，产物相对较纯，此时饱和硫酸铜溶液浓度大约为1.4mol/L；

（二）探究溶液反应温度对实验结果的影响

参考相关文献发现有学者提出温度对实验结果会产生一定的影响，基于上述浓度实验考虑以及温度对实验结果的影响，于是设计以下实验进行探究：

1.实验过程与设计步骤

(1)将盛有热水的烧杯放在铁架台的石棉网上。用酒精灯给烧杯加热，使烧杯内的温度能保持在90℃以上。

(2)将盛有五水硫酸铜晶体饱和溶液的试管放入烧杯中用水浴加热至90℃以上。

(3)将洁净的锌片放入上述盛有硫酸铜溶液的试管里，片刻即取出。

2.