硫酸銅與碳酸氫鈉的反應(yīng)

1、 - 8 -硫酸銅與碳酸氫鈉的反應(yīng) 李晶晶 （浙江省鎮(zhèn)海中學(xué) 寧波 315200）摘 要：硫酸銅和碳酸氫鈉在水溶液中的反應(yīng)是生成氫氧化銅還是生碳酸銅？本文從理論分析和實(shí)驗(yàn)探究兩個(gè)方面進(jìn)行，證明硫酸銅和碳酸氫鈉反應(yīng)的產(chǎn)物為不同組分的堿式碳酸銅（mCu(OH)2nCuCO3），并伴隨一定量的CO2氣體放出。關(guān)鍵詞：氫氧化銅；碳酸銅；水解；電離在化學(xué)反應(yīng)原理中，有些鹽類能發(fā)生徹底的雙水解反應(yīng)，如泡沫滅火器的原理，硫酸鋁與碳酸氫鈉發(fā)生雙水解生成氫氧化鋁，釋放出二氧化碳。類似的，Al3+、Fe3+與CO32-也是發(fā)生徹底的雙水解反應(yīng)，所以，在現(xiàn)行的蘇教版化學(xué)11和化學(xué)反應(yīng)原理2的附錄常見酸、堿和鹽的溶解

2、性表（20）中，Al3+、Fe3+與CO32-是用“-”表示，即表示那種物質(zhì)不存在或遇到水就分解了，而在Cu2+與CO32-一欄則是“難”，表示物質(zhì)難溶于水。那么碳酸銅和碳酸氫鈉反應(yīng)是徹底的雙水解反應(yīng)，還是會(huì)生成碳酸銅呢？針對這個(gè)問題，作了如下理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。1 理論分析碳酸氫鈉與硫酸銅的反應(yīng)1.1 氫氧化銅與碳酸銅的性質(zhì)氫氧化銅3為淡藍(lán)色固體，8090分解為CuO，能溶于濃堿和氨水中，Ksp=2.610-19。查閱多種資料，發(fā)現(xiàn)目前為止并未制取得到純凈的碳酸銅4，水溶液中不存在碳酸銅，碳酸銅遇水立即雙水解為氫氧化銅和堿式碳酸銅的混合物（具體產(chǎn)物視溶液酸堿性而定）。但在多個(gè)文獻(xiàn)中可以查到碳

3、酸銅的溶度積常數(shù)，為2.310-10，這數(shù)據(jù)可能是通過熱力學(xué)函數(shù)計(jì)算得出的。 CuCO3(s) = Cu2+(aq) + CO32-(aq)(kJ/mol) -518 65.52 -52.9 =65.52kJ/mol - 527.9kJ/mol - (-518)kJ/mol=55.12kJ/mol-=RTln Ksp lnKsp = -22.2 Ksp 2.310-10 計(jì)算結(jié)果與所查常數(shù)值較為一致。1.2 理論計(jì)算碳酸氫鈉與硫酸銅反應(yīng)的可能產(chǎn)物 查表3得碳酸的一級、二級電離常數(shù)和氫氧化銅、碳酸銅的溶度積常數(shù)。 H2CO3 HCO3 H Ka1=4.3 10-7 HCO3 CO32 H Ka2

4、=5.61 10-11 Cu(OH)2 Cu2 2OH Ksp = 2.610-19 CuCO3 Cu2+ CO32- Ksp= 2.310-10 以0.100molL-1相同濃度的碳酸氫鈉和硫酸銅反應(yīng)為例進(jìn)行計(jì)算分析。在碳酸氫鈉中同時(shí)存在碳酸氫根的電離和水解： HCO3 CO32 H Ka2=5.61 10-11 c( CO32 ) 2.4 10-6 HCO3 H2O H2CO3 OH- Kh = 2.3 10-8 c( OH ) 4.8 10-5 生成CuCO3 Q1= 0.100 2.4 10-6 =2.4 10-7 Ksp(CuCO3) ; 生成Cu(OH)2 Q2= 0.100 (4

5、.8 10-5 )2=2.3 10-10 Ksp(Cu(OH)2) ; 根據(jù)計(jì)算，0.100molL-1的碳酸氫鈉和硫酸銅反應(yīng)既有氫氧化銅又有碳酸銅生成，因此，生成的沉淀可能是不同組分的堿式碳酸銅。查閱堿式碳酸銅的相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)5 ，堿式碳酸銅的組成并不固定，不同反應(yīng)物和配比得到的堿式碳酸銅組成不同，科學(xué)的表達(dá)式應(yīng)該是mCu(OH)2nCuCO3。不同濃度的碳酸氫鈉和硫酸銅反應(yīng)現(xiàn)象有無差異？理論上碳酸氫鈉和硫酸銅反應(yīng)是先析出氫氧化銅還是堿式碳酸銅？通過進(jìn)一步的計(jì)算，確定在一定濃度的硫酸銅溶液中，開始生成碳酸銅和氫氧化銅的碳酸根濃度和氫氧根濃度分別是多少。以0.100molL-1的CuSO4為例：

6、 Cu(OH)2 Cu2 2OH Ksp = 2.610-19 c(Cu2) c(OH)2=2.610-19 c(OH)1.610-9 CuCO3 Cu2+ CO32- Ksp= 2.310-10 c(Cu2) c(CO32-)=2.310-10 c(CO32-)2.310-9 1.5 （對于任一濃度的硫酸銅，=）根據(jù)計(jì)算可以看出，理論上，c(CO32-)與c(OH)比值大于1.5時(shí)，先生成碳酸銅沉淀，當(dāng)比值小于1.5時(shí)，先生成氫氧化銅沉淀。在0.100molL-1的碳酸氫鈉中，算得 c( CO32 ) 2.4 10-6 ， c( OH )4.810-5 ，c(CO32-)與c(OH)比值約為

7、0.05，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.5，理論上應(yīng)先析出氫氧化銅。但隨著氫氧化銅的析出，溶液中氫氧根濃度減小，減小到c(CO32-)與c(OH)比值為1.5時(shí)，析出碳酸銅。最終產(chǎn)物應(yīng)為堿式碳酸銅。上述計(jì)算是以0.100molL-1的碳酸氫鈉和硫酸銅為例計(jì)算的，不同濃度的碳酸氫鈉、硫酸銅中氫氧根濃度、碳酸根濃度和銅離子濃度不同，但通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在不同濃度的碳酸氫鈉中，根據(jù)理論計(jì)算，c(CO32-)與c(OH)比值是一定值，約為0.05，而恰好沉淀時(shí)c(CO32-)與c(OH)比值隨c(Cu2+)的遞增而減小。查閱資料可得，碳酸氫鈉在25的溶解度為10.35g，計(jì)算為物質(zhì)的量濃度約為1.1molL-1，硫酸銅

8、在25的溶解度為22.3g，計(jì)算為物質(zhì)的量濃度約為1.1molL-1。所以在兩者均為飽和的濃度均約為1.00molL-1，類似上述計(jì)算過程，可得出1.00molL-1的碳酸氫鈉中，c(CO32-)7.510-6 ，c(OH)1.510-4。 而根據(jù)恰好析出沉淀兩種離子的量，c(CO32-)與c(OH)比值小于0.5時(shí)，先生成氫氧化銅沉淀，因此，飽和的兩種溶液混合，也是先析出氫氧化銅沉淀，同時(shí)伴隨CO2氣體放出。但是理論計(jì)算有一定的局限性，不能真實(shí)反映溶液中的離子濃度，有文獻(xiàn)6指出，碳酸氫鈉中有不對稱氫鍵形成的無限的HCO3-鏈狀結(jié)構(gòu)，隨著碳酸氫鈉濃度的增加，HCO3-間氫鍵的締合作用程度逐漸增

9、大，導(dǎo)致發(fā)生電離與水解的HCO3-量反而減少。因此，本文中的理論討論部分可能與實(shí)際的溶液中，碳酸氫根濃度和氫氧根濃度有所差異。2 實(shí)驗(yàn)探究碳酸氫鈉與硫酸銅的反應(yīng)2.1 碳酸氫鈉和硫酸銅反應(yīng)的定性研究 為研究碳酸氫鈉和硫酸銅的反應(yīng)，分別配置0.1molL-1、0.5molL-1和1.0molL-1的NaHCO3和CuSO4溶液，分別向三種不同濃度的NaHCO3中逐滴滴加不同濃度的CuSO4溶液以及向三種不同濃度的CuSO4中逐滴滴加不同濃度的NaHCO3溶液，記錄現(xiàn)象。再將反應(yīng)后的產(chǎn)物取上層清液滴加鹽酸，若不產(chǎn)生氣泡說明碳酸氫鈉已反應(yīng)完全，則取沉淀物滴加鹽酸觀察現(xiàn)象，若上層清液滴加鹽酸產(chǎn)生氣泡，

10、則取出上層清液，向沉淀物中加蒸餾水洗滌，至上層清液加鹽酸不產(chǎn)生氣泡為止，取沉淀物滴加鹽酸，觀察現(xiàn)象。表1 向不同濃度的NaHCO3中逐滴滴加不同濃度的CuSO4序號(hào)NaHCO3CuSO4濃度滴加過程中的現(xiàn)象沉淀物加鹽酸10.1 molL-15mL0.1molL-1滴加3滴時(shí)開始出現(xiàn)渾濁，渾濁為淺綠色，繼續(xù)滴加后沉淀慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)綠色，過程中未見明顯氣泡產(chǎn)物溶解，未見明顯氣泡20.5molL-1滴加1滴即出現(xiàn)渾濁，滴加過程中渾濁由淺綠色逐漸變?yōu)樗{(lán)綠色，未見明顯氣泡產(chǎn)物溶解，未見明顯氣泡31.0molL-1滴加1滴即出現(xiàn)渾濁，滴加過程中渾濁由淺綠色逐漸變?yōu)樗{(lán)綠色，未見明顯氣泡產(chǎn)物溶解，未見明顯氣泡4

11、0.5molL-15mL0.1molL-1滴加5滴時(shí)開始出現(xiàn)淺綠色渾濁，開始未見明顯氣泡，滴加2mL時(shí)開始產(chǎn)生氣泡，靜置至不再產(chǎn)生氣泡后震蕩又產(chǎn)生氣泡。沉淀顏色不斷轉(zhuǎn)向藍(lán)綠色。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生少量氣泡50.5molL-1滴加1滴即出現(xiàn)淺綠色渾濁，開始未見明顯氣泡，滴加0.5mL時(shí)開始產(chǎn)生氣泡，靜置至不再產(chǎn)生氣泡后震蕩又產(chǎn)生氣泡。滴加3mL后繼續(xù)滴加則產(chǎn)生非常少量氣泡。沉淀顏色不斷轉(zhuǎn)向藍(lán)綠色。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生少量氣泡61.0molL-1滴加1滴即出現(xiàn)淺綠色渾濁，4滴后開始產(chǎn)生氣泡，靜置至不再產(chǎn)生氣泡后震蕩又產(chǎn)生氣泡。沉淀顏色不斷轉(zhuǎn)向藍(lán)綠色。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生大量氣泡71.0 molL-15m

12、L0.1molL-1開始時(shí)產(chǎn)生淺綠色沉淀，震蕩后沉淀溶解，15滴（0.75mL左右）開始沉淀不溶解，1.5mL后開始產(chǎn)生少量氣泡。沉淀顏色不斷轉(zhuǎn)向藍(lán)綠色。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生氣泡80.5molL-1開始時(shí)產(chǎn)生淺綠色沉淀，震蕩后沉淀溶解，4滴開始沉淀不溶解，0.5mL后開始產(chǎn)生少量氣泡。沉淀顏色不斷轉(zhuǎn)向藍(lán)綠色。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生較大量氣泡91.0molL-1滴加1滴即出現(xiàn)淺綠色渾濁，滴加5滴后開始產(chǎn)生大量氣泡。沉淀顏色不斷轉(zhuǎn)向藍(lán)綠色。立即產(chǎn)生大量氣泡，沉淀溶解 向NaHCO3中逐滴滴加CuSO4得到的沉淀為偏藍(lán)綠色粉末狀物質(zhì)，滴加過程中逐漸向偏藍(lán)色粉末轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物顆粒極小，靜置沉降時(shí)間較久。對比分析

13、，123組實(shí)驗(yàn)，即向5mL 0.1 molL-1的NaHCO3中滴加不同濃度的硫酸銅出現(xiàn)的現(xiàn)象較為相似，都是出現(xiàn)渾濁，顏色從淺綠色逐漸變成藍(lán)綠色，沉淀物加鹽酸能較快溶解，但未見明顯氣泡，最終主要產(chǎn)物以氫氧化銅為主，但根據(jù)現(xiàn)象，反應(yīng)過程中可能先產(chǎn)生的堿式碳酸銅，而后逐漸轉(zhuǎn)化為氫氧化銅。 456和789六組實(shí)驗(yàn)過程現(xiàn)象較為接近，主要出現(xiàn)了藍(lán)綠色的渾濁，滴加過程中產(chǎn)生了少量氣泡。沉淀物滴加鹽酸是先溶解后產(chǎn)生氣泡。產(chǎn)物可能是以堿式碳酸銅和氫氧化銅的混合物。第9組實(shí)驗(yàn)滴加鹽酸的現(xiàn)象較特殊，是立即產(chǎn)生大量氣泡，反應(yīng)產(chǎn)物可能是以碳酸銅組分較多的堿式碳酸銅。表2 向不同濃度的CuSO4中逐滴滴加不同濃度的Na

14、HCO3序號(hào)CuSO4NaHCO3濃度滴加過程中的現(xiàn)象沉淀物加鹽酸10.1 molL-15mL0.1molL-1滴加8滴時(shí)開始出現(xiàn)淺藍(lán)色渾濁，滴加2mL后開始出現(xiàn)少量氣泡產(chǎn)物溶解，產(chǎn)生微量氣泡20.5molL-1滴加4滴開始出現(xiàn)淺藍(lán)色渾濁并伴隨少量氣泡，繼續(xù)滴加到2mL后幾乎不再產(chǎn)生氣泡產(chǎn)物溶解，產(chǎn)生較大量氣泡31.0molL-1滴加2滴即出現(xiàn)淺藍(lán)色渾濁伴有較多氣泡，靜置后部分沉淀會(huì)上浮產(chǎn)物溶解，后產(chǎn)生少量氣泡40.5molL-15mL0.1molL-1開始時(shí)微量氣泡，無明顯渾濁，1.5mL時(shí)產(chǎn)生淺藍(lán)色渾濁并伴有少量氣泡。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生微量氣泡50.5molL-1開始時(shí)無明顯渾濁，8滴時(shí)產(chǎn)

15、生淺藍(lán)色渾濁并伴有少量氣泡。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生微量氣泡61.0molL-1開始時(shí)無明顯渾濁，5滴時(shí)產(chǎn)生淺藍(lán)色渾濁并伴有較大量氣泡。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生少量氣泡71.0 molL-15mL0.1molL-1開始時(shí)微量氣泡，無明顯渾濁，2.5mL時(shí)產(chǎn)生淺藍(lán)色渾濁并伴有少量氣泡。產(chǎn)物溶解，未見明顯氣泡80.5molL-1開始時(shí)少量氣泡，10滴時(shí)產(chǎn)生淺藍(lán)色渾濁并伴有氣泡。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生氣泡91.0molL-1開始時(shí)少量氣泡，6滴時(shí)產(chǎn)生淺藍(lán)色渾濁并伴有氣泡。產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生少量氣泡 對比向NaHCO3溶液中滴加CuSO4與反向滴加，發(fā)現(xiàn)向NaHCO3溶液中滴加CuSO4生成的沉淀為藍(lán)綠色沉淀，而反過

16、來向CuSO4溶液中滴加NaHCO3溶液產(chǎn)生的是淺藍(lán)色沉淀，由此可見，第一種滴加方式生成的主要為堿式碳酸銅，而第二種方式生成的除了堿式碳酸銅，還可能還有較大量的氫氧化銅。2.2 碳酸氫鈉和硫酸銅反應(yīng)的定量研究表3 向一定濃度的CuSO4中加入一定量相同濃度的NaHCO3序號(hào)濃度CuSO4NaHCO3混合后現(xiàn)象沉淀物加鹽酸10.1 molL-15mL2.5mL藍(lán)綠色渾濁，幾乎無氣泡產(chǎn)物溶解，產(chǎn)生微量氣泡25.0mL藍(lán)綠色渾濁，微量氣泡產(chǎn)物溶解，產(chǎn)生較大量氣泡310.0mL藍(lán)綠色渾濁，微量氣泡（比2氣泡更少）產(chǎn)物溶解，后產(chǎn)生少量氣泡40.5molL-15mL2.5mL藍(lán)綠色渾濁和氣泡，靜置等不再產(chǎn)

17、生氣泡后震蕩又產(chǎn)生氣泡產(chǎn)物溶解，然后產(chǎn)生少量氣泡55.0mL藍(lán)綠色渾濁和較大量氣泡，靜置等不再產(chǎn)生氣泡后震蕩又產(chǎn)生氣泡立即產(chǎn)生氣泡，沉淀溶解610.0mL藍(lán)綠色渾濁和大量氣泡，靜置等不再產(chǎn)生氣泡后震蕩又產(chǎn)生氣泡立即產(chǎn)生大量氣泡，沉淀溶解71.0 molL-15mL2.5mL藍(lán)綠色渾濁和大量氣泡立即產(chǎn)生大量氣泡，沉淀溶解85.0mL藍(lán)綠色渾濁和大量氣泡，沖到試管口立即產(chǎn)生大量氣泡，沉淀溶解910.0mL藍(lán)綠色渾濁和大量氣泡，劇烈反應(yīng)，氣泡帶著沉淀物沖出試管立即產(chǎn)生大量氣泡，沉淀溶解 綜合定性和定量實(shí)驗(yàn)來看，碳酸氫鈉量較多容易產(chǎn)生碳酸銅組分較多的堿式碳酸銅，而硫酸銅量較多易產(chǎn)生更多氫氧化銅組分較多的堿式碳酸銅。3 總結(jié) 各種離子在溶液中混合同時(shí)包含了多種過程，在水中溶解度也會(huì)與單一物質(zhì)的溶解度不同，理論計(jì)算過程中只考慮了簡單的情況，無法綜合各種因素進(jìn)行考慮。通過以上的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，硫酸銅與碳酸氫鈉的反應(yīng)生成不同成分的堿式碳酸銅，具體組成因兩種溶液的濃度不同而發(fā)生變化，碳酸氫鈉量較多容易產(chǎn)生碳酸銅組分較多的堿式碳酸銅，而硫酸銅量較多易產(chǎn)生更多氫氧化銅組分較多的堿式碳酸銅