金屬銅置換硫酸中氫的簡(jiǎn)易方法

金屬銅置換硫酸中氫的簡(jiǎn)易方法

設(shè)計(jì)金屬銅硫酸鈉交換方法，不僅有助于充分認(rèn)識(shí)和深刻理解外部因素對(duì)氧化還原反應(yīng)的影響規(guī)律，而且為更好地理解和靈活運(yùn)用這些規(guī)律提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。同時(shí)，它還積極促進(jìn)課堂研究和科學(xué)研究的有機(jī)結(jié)合。本文介紹用金屬銅置換稀硫酸中氫的一種簡(jiǎn)捷、有效方法。1實(shí)驗(yàn)設(shè)備2氣體的提取和測(cè)定(1)用頭發(fā)絲的一端捆住銅屑,另一端捆在硬鐵棒的一端。(2)將硬鐵棒的另一端自試管塞小面插穿試管塞并固定在試管塞中。(3)向具支試管中依次加入6g硫脲和4mol/L硫酸10mL后充分振動(dòng)試管,再把大試管固定在鐵架臺(tái)上。(4)蓋好試管塞,推拉鐵棒調(diào)節(jié)高度,以使銅屑浸入混合液下的一定位置。(5)點(diǎn)燃酒精燈。(6)用排水法收集產(chǎn)生的氣體并驗(yàn)純。(7)做氣體的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。(8)實(shí)驗(yàn)完畢,首先將硬鐵棒往上提,使銅屑脫離酸液面,再熄滅酒精燈。3氣體試驗(yàn)(1)爆鳴癥與適當(dāng)空氣混合后點(diǎn)燃能發(fā)出爆鳴。(2)燃油消費(fèi)經(jīng)驗(yàn)純后的氣體在空氣中能安穩(wěn)燃燒,進(jìn)一步檢驗(yàn)其產(chǎn)物只含水。經(jīng)上述檢驗(yàn),結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的氣體確實(shí)是氫氣。4實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理上述實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)原理如下:該反應(yīng)原理可以通過(guò)下列理論分析和計(jì)算得到滿(mǎn)意解釋。5離子強(qiáng)度i對(duì)其離子活度系數(shù)的影響由于溶液中cH+較大,相應(yīng)H+的氧化性有所增強(qiáng):更為重要的是因?yàn)閬嗐~離子Cu+易與硫脲S=C(NH2)2結(jié)合生成在酸性溶液中穩(wěn)定的配離子[Cu(S=C(NH2)2)4]+,實(shí)質(zhì)上也就是大大地降低了Cu++e–?CuCu++e–?Cu的Cu+的濃度,使金屬銅Cu的還原性顯著提高,因而導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。我們還能運(yùn)用計(jì)算的方法,進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)成功的必然性。首先計(jì)算正極電對(duì)的電極電勢(shì)φH+/H2。φH+/H2=φθH+/H2+0.0592lgc(H+)/cθ(P(H2)/Pθ)1/2(1)φΗ+/Η2=φΗ+/Η2θ+0.0592lgc(Η+)/cθ(Ρ(Η2)/Ρθ)1/2(1)稀溶液中,在一定的離子強(qiáng)度范圍內(nèi),盡管離子的活度系數(shù)隨離子強(qiáng)度的增大而減小,但是,當(dāng)離子強(qiáng)度I高到一定數(shù)值時(shí),由于同性電荷離子間的斥力和在原始水化層中結(jié)合到離子上的水分子使得離子具有相當(dāng)大的有效體積,導(dǎo)致離子的活度系數(shù)經(jīng)過(guò)一最小值后又回升,甚至可大于1。為了討論方便,計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮離子強(qiáng)度對(duì)溶液中離子的活度系數(shù)的影響。(1)式中由于φθH+/H2Η+/Η2θ=0.000V,現(xiàn)設(shè)c(H+)=8mol/L,P(H2)=101.325kPa代入其中計(jì)算得:φH+/H2=0.053V再計(jì)算負(fù)極電對(duì)的電極電勢(shì)φCu+/Cu為:φCu+/Cu=φθCu+/CuCu+/Cuθ+0.0592lgc(Cu+)/cθ(2)由于Cu++4S=C(NH2)2?[Cu(S=C(NH2)2)4]+K穩(wěn)=2.51×1015[2~5]Cu++4S=C(ΝΗ2)2?[Cu(S=C(ΝΗ2)2)4]+Κ穩(wěn)=2.51×1015[2~5]因此,c(Cu+)=c([Cu(S=C(NH2)2)4]+)K穩(wěn)×c4(S=C(NH2)2)(3)c(Cu+)=c([Cu(S=C(ΝΗ2)2)4]+)Κ穩(wěn)×c(S=C(ΝΗ2)2)4(3)把K穩(wěn)=2.51×1015,并令c([Cu(S=C(NH2)2)4]+)=0.1mol/L,c(S=C(NH2)2)=0.1mol/L代入(3)式計(jì)算得:c(Cu+)=3.984×10-13mol/L再把c(Cu+)=3.984×10-13mol/L,φθCu+/CuCu+/Cuθ=0.52V代入(2)式計(jì)算得:φCu+/Cu=-0.214V最后計(jì)算反應(yīng)(c)式的電動(dòng)勢(shì):E=φH+/H2-φCu+/Cu=0.053V-(-0.214V)=0.267V>0.2V上述理論分析和計(jì)算結(jié)果充分表明,創(chuàng)造合適的反應(yīng)條件,是可以用金屬銅置換稀硫酸中的氫的。6金屬銅置換稀硫酸中氫實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究對(duì)高校的啟示(1)在一定量硫脲的存在下金屬銅置換稀硫酸中的氫是可行的,不僅儀器簡(jiǎn)單,操作方便、材料易得、現(xiàn)象明顯、效果好,而且反應(yīng)速度和氣體發(fā)生量可控,能有效地控制或能盡最大限度減少可燃?xì)怏w向空中的飄逸,另外伴隨因硫脲水解而產(chǎn)生的少量硫化氫用堿石灰吸收,對(duì)環(huán)境友好,提高了實(shí)驗(yàn)的安全性、可靠性。(2)通過(guò)對(duì)金屬銅置換稀硫酸中氫實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究,可使教師的教學(xué)活動(dòng)與自身的科研活動(dòng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。它既達(dá)到了“高校必須要以教學(xué)帶科研,以科研促教學(xué),不斷提高教學(xué)層次”的目的,又活躍了課堂教學(xué)氣氛,還為當(dāng)前深入開(kāi)展課改、教改工作拓寬了思路,為今后如何盡量多地開(kāi)設(shè)研究型課程創(chuàng)造了良好條件,同時(shí)也為充分調(diào)動(dòng)教師的科研、教改積極性提供了有益啟示。(3)通過(guò)對(duì)金屬銅置換稀硫酸中氫實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究,向?qū)W生介紹了獲取書(shū)本知識(shí)的科學(xué)方法和進(jìn)行科學(xué)研究的思維方式,變枯燥乏味的理論知識(shí)為充滿(mǎn)生機(jī)活力、豐富有趣的實(shí)踐活動(dòng),使理論與實(shí)際緊密地聯(lián)系起來(lái)了。不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望,而且對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和促進(jìn)學(xué)生的靈活運(yùn)用能力、創(chuàng)造性思維能力的提高都起到了積極作用。(4)盡管氫氣不是有