铁粉和氧化铜与足量稀硫酸反应的实验探究
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摘要：
采用定性和定量相结合的方法，对铁粉和氧化铜与足量稀硫酸反应进行了实验研究。探寻铁粉和氧化铜用量的差 异及不同硫酸浓度对反应先后顺序的影响；根据酸碱理论、氧化还原标准电极电势以及化学动力学等角度进行分析，得出了实 验结论及适宜的反应条件。旨在为初中化学教学提供相关的实验和理论依据。关键词：
铁粉；氧化铜；稀硫酸；竞争反应；实验探究
在初中教学中，往往需要判断铁粉和氧化铜与 足量的稀硫酸反应后溶液中溶质的成分。学生对 这个混合体系中反应先后顺序的认识不同，部分 学生认为铁粉比氧化铜活泼，所以铁粉先和稀硫酸反应，当铁粉反应完后氧化铜再和稀硫酸反应；也有学生认为铁粉和氧化铜同时与稀硫酸发生反 应，没有先后之分，因此得出的结论也各不相同。究竟在铁粉和氧化铜与稀硫酸的反应中有没有竞 争关系？铁粉和氧化铜物质的量的差异及硫酸浓度的不同会不会导致结果不同？本文对于这些问 题进行了实验研究。
1 实验探究
1.1 不同量铁粉和氧化铜与足量 1mol/L 稀硫酸反应
（1）实验药品：铁粉（上海光铧科技有限公司
化学试剂分公司，分析纯）、氧化铜（上海凌峰化
学试剂有限公司，化学纯）、98% 浓硫酸
（1） 实验仪器：电子天平、药匙、量筒 （100mL， 50mL，25mL，10mL）、胶头滴管、烧杯（100mL）
（2） 实验方案及现象（见表 1）
实验 1-1 中，铁粉与氧化铜物质的量之比为1:2，在混合粉末中加入足量的稀硫酸后，立即观察到红色固体产生，无气泡冒出，充分反应后的混合物取上层清液，溶液颜色为蓝色。
表 1 不同量铁粉和氧化铜与稀硫酸反应的实验现象
实验序号 | 铁粉 （mol） | 氧化铜 （mol） | 1mol/L稀硫酸 （mL） | 实验现象 |
1-1 | 0.01 | 0.02 | 60 | 立即出现红色固体，无气泡产生， 充分反应后上层清液呈蓝色 |
1-2 | 0.02 | 0.02 | 60 | 立即出现红色固体，无气泡产生， 充分反应后上层清液呈浅绿色 |
1-3 | 0.03 | 0.02 | 60 | 立即出现红色固体，待红色固体不再增加后产生大量气泡，充分反应后上层清液呈浅绿色 |
这一实验事实说明氧化铜先与稀硫酸反应生成硫酸铜，然后铁粉与硫酸铜发生置换反应，生成硫酸亚铁和单质铜，由于氧化铜量多，因此硫酸铜没有被完全置换，上层清液呈浅蓝色。在此过程中，铁粉没有与稀硫酸发生化学反应就已被消耗完。
实验 1-2 中，铁粉与氧化铜等物质的量混合， 加入足量稀硫酸，得到了与第一个实验几乎相同的现象。唯一的区别是，充分反应时铁粉恰好将生成的硫酸铜完全置换生成硫酸亚铁和单质铜，因此上层清液呈浅绿色。实验 1-3 中，铁粉与氧化铜物质的量之比为2:1 时，在混合粉末中加入足量稀硫酸后同样先生成红色固体，当红色固体不再增加后，铁粉再与稀硫酸反应生成氢气，以气泡形式逸出。气泡逸出速度不随硫酸消耗而减慢，认为铁、铜和稀硫酸形成了原电池，产生原电池效应。从上述三个实验现象中可以得出，在硫酸足量且浓度为 1mol/L 的情况下，无论铁粉的物质的量是小于、等于还是大于氧化铜的物质的量，反应间均存在竞争关系，其先后顺序如下：氧化铜先与稀硫酸反应生成硫酸铜，铁粉再与硫酸铜发生置换反应，如果铁粉剩余再与稀硫酸反应生成氢气。（1）实验药品：同 1.1（1）
（2）实验仪器：同 1.1（2）
（3） 实验方案与现象（见表 2）
表 2 铁粉和氧化铜与不同量稀硫酸反应的实验现象
实验序号 | 铁粉 （mol） | 氧化铜 （mol） | 硫酸 | 实验现象 |
2-1 | 0.02 | 0.02 | 2mol/L 30mL | 立即出现红色固体，无气泡产生， 充分反应后上层清液呈绿色 |
2-2 | 0.02 | 0.02 | 3mol/L 30mL | 立即出现红色固体，瞬时产生大量气泡并放热，充分反应后上层清液为浅蓝色 |
2-3 | 0.02 | 0.02 | 6mol/L 30mL | 立即出现红色固体，瞬时产生大量气泡并放热，反应过程中生成红色固体的同时持续产生细小气泡，充分反应后上层清液为浅蓝色 |
通过以上三个实验可以发现，当铁粉和氧化铜粉末物质的量相等时，硫酸浓度的增加会加快铁与硫酸的反应速率：当硫酸浓度为 3mol/L 时，铁粉同时与硫酸铜和硫酸发生反应，但大量气泡瞬时逸出后就不再产生，与此同时，单质铜在不断地析出，说明瞬时过后铁粉已转为和硫酸铜反应。当硫酸浓度为 6mol/L 时，氧化铜和硫酸、铁粉和硫酸、铁粉和硫酸铜的反应同时发生，直至铁粉耗尽。而硫酸浓度较小（2mol/L）时无气泡产生，说明对铁和硫酸反应速率无影响。1mol/L 稀硫酸，当铁粉的物质的量小于、等于或大 于氧化铜的物质的量时，反应顺序均为氧化铜先与硫酸反应生成硫酸铜，铁粉将硫酸铜中的铜置换 出来，如果铁粉剩余，再与稀硫酸反应生成氢气。浓度会对铁和稀硫酸的反应速率造成一定影响， 当硫酸浓度大于 2mol/L 时，会加快铁粉与稀硫酸的反应速率，导致铁粉同时与硫酸铜和硫酸反应。为避免铁粉同时与硫酸反应，建议反应使用的稀 硫酸浓度不超过 2mol/L。研究了铁粉和氧化铜与足量稀硫酸反应间的竞争 关系，通过探究和分析得到了各反应之间的先后顺序，并给出了实验适宜的稀硫酸浓度范围。该体系中反应先后顺序的确定，解决了困扰多年的问题，旨在给初中教师的教学提供相关的实验和理论依据 ，并对碱性氧化物和金属同时与酸反应这一类问题的研究，提供一定的借鉴意义。
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