[转载]钠投入硫酸铜溶液时的反应

原文地址：钠投入硫酸铜溶液时的反应作者：冯涌

    前言：这是十几年前的文章，反映当时的实验和思考。想到我们现在讨论活泼金属与水、与酸、与不活泼金属盐溶液的氧化还原反应，就想拿出来晒晒凑个热闹。这些内容在2010年化学会27届年会上被刘克文博士批评为“不实用、没创造”，他积极倡导“中心、实用、创造性”的化学。我也觉得我们没必要在这个“纯理论”问题上太过纠结，因为化学有她的底线——实验。当我们在生产生活实际中需要确认钠与硫酸铜溶液（或盐酸或其它溶液）的反应时，我们可以认真实验确定各种反应情况。理论只能指引我们思考的方向。

钠投入硫酸铜溶液时的反应

铜离子比氢离子的氧化性强（ 还原电位 E Cu 2+ /Cu  =  0.34V， E H + /H 2  = 0.00V  ），当钠投入硫酸铜溶液时，主要发生哪些反应呢？

一、实验：我们配制了五种不同浓度的硫酸铜溶液： Ⅰ    1.4mol/L( 饱和溶液。硫酸铜溶解度在 25 ℃时为 23g/100g 水，溶液密度为 1.2g/ml) ，   Ⅱ   0.70mol/L ， Ⅲ   0.47mol/L ， Ⅳ    0.28mol/L ，   Ⅴ   0.14mol/L 。用 pH 试纸测得 Ⅰ —— Ⅳ 溶液的 pH 值为 3 ， Ⅴ 溶液 pH 值约为 4 。

我们首先取 Ⅰ 饱和溶液注入小试管，加入大米粒大小的金属钠，反应剧烈，钠有跳动，迅速生成一层亮红色的金属铜，包围了钠粒，反应随之停止。这时还出现了少量的黑色沉淀。放置约十五分钟后突然一声尖锐的爆鸣，铜层爆破，溶液溅出试管。

为了安全，我们改用小烧杯继续实验。将这五种溶液各取 50mL 分盛于五个小烧杯中，分别加入大米粒大小的金属钠，迅速盖上玻璃片，观察现象如下：

Ⅰ 溶液中钠粒不游动，燃烧，有爆鸣声，产生大量的黑色沉淀和少量的片状浅蓝色沉淀。

Ⅱ 溶液中钠粒游动半圈后燃烧，其它现象同 Ⅰ 。

Ⅲ 溶液中钠粒游动时没有黑色沉淀；后来钠粒燃烧，并不再游动，这时出现一些黑色沉淀。

Ⅳ 溶液中钠粒游动时没有黑色沉淀；后来钠粒附着在烧杯壁上，燃烧；透过烧杯壁清晰可见亮红色的金属铜附着在烧杯壁上，铜周围迅速变黑，最后只剩中心一点亮红色。可见黑色沉淀是铜被氧气氧化生成的氧化铜。从液面上方观察，钠粒游过的地方产生浅蓝色的氢氧化铜沉淀。

Ⅴ 溶液中钠粒迅速游动，产生浅蓝色沉淀；最后很少量钠附着在烧杯壁上燃烧，产生少量黑色沉淀。

各烧杯中黑色氧化铜沉淀逐渐减少， 7 小时后几乎全部溶解。这是酸性溶液的作用。

二、分析：从热力学角度分析，钠应首先与铜离子反应还原出铜。这在 Ⅰ、 Ⅱ 溶液中有所表现。但钠与更稀的硫酸铜溶液作用时，开始并不产生铜，这得从动力学角度分析。一方面，铜离子由于与水分子络和，较难与钠接触；另一方面，钠浮在液面上不停地游动，由于氢气的生成难以与溶液充分接触，只能与稀溶液表面的水和氢离子（[H^+] = 1 × 10^ -3 mol/L ）以及空气中的氧气接触而反应。当钠燃烧时，它不再游动，这时钠周围溶液的温度迅速升高，水合铜离子受热而离解出赤裸的铜离子与钠反应，还原出金属铜，进而被氧化为氧化铜。这就是 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 溶液中钠燃烧时才出现黑色沉淀的原因。

这里钠与空气中氧气的直接作用十分重要。钠可以通过此途径转化为氢氧化钠，进而生成浅蓝色的氢氧化铜沉淀。

三、结论： 1 、当钠投入较浓（约 0.5mol/L 以上）的硫酸铜溶液时，同时发生如下反应：

a)  2Na+CuSO4 ==Na2SO4+Cu

b)  2Cu+O2 ==2CuO

c)  2Na+2H2O==2NaOH+H2 ↑

d)  2NaOH+CuSO4==Cu(OH)2↓ +Na2SO4

e)  4Na+O2 ==2Na2O

f)  Na2O+H2O==2NaOH

2 、当钠投入较稀（约 0.5mol/L 以下）的硫酸铜溶液时，若不燃烧，这时不发生上述反应 a) 和 b) ，只生成氢气和氢氧化铜。若燃烧，上述六个反应均能发生。

3 、溶液浓度越大（粘度也越大），液面越窄，钠粒的温度越易升高并燃烧，越易生成铜和氧化铜。

4 、新配制的溶液搅拌时溶入了较多的氧气，使投入其中的钠更易反应；若生成铜，也更易被氧化为氧化铜。