“氧化铜铁粉和稀硫酸反应的先后顺序”的科学探究

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  基础教育课程改革的具体目标是:“改变课程过于注重知识传授的倾向,强调形成积极主动的学习态度”;“倡导学生主动参与、乐于探索、勤于动手,培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力[1]”。“授人以鱼”不如“授人以渔”,实验探究作为一种主要的学习探究方式,使它在新课程教学中占据举足轻重的地位。在中考化学复习过程中,我们常会遇到这样一类题目,如:“往氧化铜与铁粉混合物中加入一定量的稀硫酸,微热,充分反应后过滤:以下判断错误的是()
  A.滤纸上可能含有铜
  B.滤液中可能含有硫酸亚铁
  C.滤液中可能含有硫酸铜
  D.滤纸上可能含有氧化铜。”
  学生认为铁的化学性质比较活泼,所以铁粉先与稀硫酸反应,如果稀硫酸过量,氧化铜才与稀硫酸反应,应选择A、B;也有学生认为氧化铜和铁粉一齐和稀硫酸反应,并无先后顺序,稀硫酸反应完后,剩余的铁才与生成的硫酸铜反应,应选择D。学生争论的焦点在于:它们到底是如何反应的呢?有没有先后顺序?实践是检验真理的唯一标准,于是我和学生一齐走进了化学实验室进行探究。
  一、实验探究
  实验1:将等质量的氧化铜粉末与铁粉均匀混合后,放入一小烧杯中,再加入一定量的稀硫酸,微热后振荡,静置。
  现象:可以清楚看到固体粉末由黑色很快就变为红色,并且过一会儿溶液中才出现了气泡。
  学生讨论、分析得出来:红色物质是铜,由此可知:CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O、Fe + CuSO4 = FeSO4+Cu先反应,Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑后反应。但也有同学产生疑问:是不是铁粉与稀硫酸反应时产生的气泡太少,被吸附在固体粉末表面呢?于是我也加入讨论:如果有这种现象,如何才能避免这种现象发生,并且证明有气体产生呢?于是大家展开讨论,最终商定先将铁粉与酸反应,然后再加氧化铜粉末,这样既使固体粉末吸附气体,也会饱和再加入氧化铜粉末,并不断地搅拌也不会影响气体放出。于是大家进行了第二个探究实验。
  实验2:先将一定量的铁粉加入盛有一定量的稀硫酸的小烧杯中,可以立即看到溶液中有气泡产生;再加入一定量的氧化铜粉末并用玻璃棒搅拌,溶液中并无气泡产生,黑色粉末很快变为红色,过一会溶液中才出现了气泡。(注:所做实验稀硫酸均过量。)
  由此我们的结论如下:
  这三者反应的确有先后顺序,它们反应的顺序如下:
  第一步,氧化铜粉末和稀硫酸反应CuO +H2SO4 =CuSO4 + H2O
  第二步,铁粉和生成的硫酸铜反应Fe + CuSO4= FeSO4 + Cu
  第三步,铁粉和稀硫酸反应Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑
  这道题应选择D。
  二、理论论证
  根据路易斯酸碱反应优于氧化还原反应的原理,CuO是路易斯碱,稀硫酸是路易酸,而 Fe+ H2SO4=FeSO4 + H2↑属于氧化还原反应,所以氧化铜和硫酸反应优于铁和硫酸反应。查电极电位表[2]知:
  Cu2+(aq)+ 2e- =Cu(s)E= +0.34V
  Fe2+(aq)+ 2e- =Fe(s)E= -0.44V
  2H+(aq)+ 2e- =H2(g)E=0V
  由以上电极电势我们可以看出,氧化性:Cu2+ > H+ >Fe2+,所以Cu2+ + Fe = Cu + Fe2+ 优于2H ++ Fe = H2↑+Fe2+即
  CuO +H2SO4 =CuSO4 + H2O > Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu > Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑
  [参考文献]
  [1]钟启泉.基础教育课程改革纲要(试行)解读.上海:华东师范大学出版社,2001.4~5.
  [2]北京师范大学,华中师范大学,南京师范大学无机化学教研室,无机化学(上册).第四版.北京:高等教育出版社,2002:421,424.
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