关于使用无水硫酸铜检验乙醇中水分的再商榷

关于使用无水硫酸铜检验乙醇中水分的再商榷 关于使用无水硫酸铜检验乙醇中水分的再 商榷 2007年第12期化学教育?51? 关于使用无水硫酸铜检验乙醇中水分的再商榷 代伟罗雪容 (重庆市南开中学400030) 2007年第5期《化学教育》上刊登了田宗学老师撰写的 《一个不可靠的结论》.在此文巾,田宗学老师从实验观 察和理论2个方面得出结论:只有当乙醇中含水量超过 一 定的比例(体积大于1:1)时,无水硫酸铜才开始变蓝.所 以,用无水硫酸铜检验乙醇中是否含水的结论并不可靠,更 是一个错误性的结论. 笔者通过实验和分析讨论,认为田宗学老师得出的结论 还需要再商榷. l实验 (1)我们首先重复了田宗学老师的实验.取1支小试 管.分别Hj滴定管量取2.o0mI无水乙醇和2.()()mI蒸馏 水,振荡摇匀后.加入少量新制无水硫酸铜粉末,再充分振 荡,发现白色硫酸铜粉末很快变成浅蓝色,而不是"颜色没有 变化". (2)取3支小试管,编号为???,分别加入2.oomI无 水乙醇(乙醇质量分数为99.5V00),2.00mI医用酒精(乙醇 质量分数为95),2.00mI无水乙醇和0.20mI蒸馏水(乙 醇质量分数约为88),再分别加入少量新制无水硫酸铜粉 末(约为0.1g).经观察,试管?中硫酸铜粉末仍为白色,试 管?中硫酸铜粉末经过约1分钟后变为浅蓝色,试管?中硫 酸铜粉末很快变为浅蓝色.3支试管中硫酸铜均以同体形 式存在,沉于试管底部. (3)再取1支小试管,加入0.5g五水硫酸铜品体和 5mI无水乙醇,充分振荡后.晶体仍为蓝色,颜色没有变浅. 2分析讨论 (1)田宗学老师是从能量的观点来解释这个问题的.原 文认为无水硫酸铜溶于水的过程释放的能量为 15.12kJ/mo1.而氢键键能约为40kJ/mol,因此电离出的无 色Cu抖很难破坏乙醇与水分子之间的氢键而形成蓝色的水 合铜离子,当Cu与乙醇分子争夺水分子时,水分子势必优 先与乙醇分子结合. 笔者的疑问首先就来自于"无水硫酸铜溶于水的过程释 放的能量为15.12kJ/mol"的描述.作者在文中没有给出具 体的计算过程,也没有给出数据的出处.而无论是查资料_1 还是利用热力学数据计算,我们都可以得到无水硫酸铜的 溶解热为一66.1kJ,/tool(负号示放热),与15.12kJ/tool 相去甚远. 其次,无水硫酸铜易溶于水,而不溶于无水乙醇.在 实验(2)中即使乙醇中含水量达到12%时硫酸铜粉末最终仍 以同体形式存在.此以无水硫酸铜的溶解热数据为判断依 据未免不符合实验事实. 再次,在实验(3)中也没有观察到乙醇夺取五水硫酸铜 晶体中水分子的实验现象. 无水硫酸铜吸收水变成五水硫酸铜,其方程式为 Cus(~+5H()一CuSO?5H.O,这个过程放出的热量为 77.6kJn】ol一..常温时.水分子问氧键键能为18.83kJ/mol, 乙醇分子问氢键键能约为25kJ/tool,则乙醇水溶液中乙醇 和水分子问的氢键键能应该介于二者之间.反应放出的热 量和氢键键能相比.前者大得多,因此无水硫酸铜是可以从 乙醇水溶液中夺取水分子的. (2)硫酸铜粉末变成的是浅蓝色,而不是蓝色,明显不是 生成了五水硫酸铜晶体.那么可能产物是什么呢? 我们首先来了解五水硫酸铜晶体的热稳定性和无水硫 酸铜的吸水性.在加热过程中,硫酸铜晶体存在如下的变化 过程?,晶体的颜色南蓝色逐渐变为白色.而尤水硫酸铜粉 末放置空气中体现吸水性时,颜色也是南白色逐渐加深变成 蓝色的. uSO..,cuSOJ.HzC5HO4H()ul?Cu,I?() CuSO..3H2(Cus()H.()里cuSO 再来了解一下五水硫酸铜晶体的结构(见下网)和颜 色的产生.根据配合物的晶体场理论,无水硫酸铜巾硫酸根 是较弱的配体,电子的d—d跃迁在红外区,也就是说能激发 它的电磁波的能量低于可见光的能量,可见光区的波就全部 透射了,所以是白的.而换成配位能力较强的水分子作配体 时,电子跃迁所需的能量就要增大,因此就需要能量较高的 可见光长波区的电磁波激发,橙红色光被吸收后就看到了蓝 色,随着配位的水分子的个数增加,吸收的能量增大.颜色南 浅到深ll1j. H2()H2()H…'()() /,/\/ CuOS //\, H2()H20H…一()O 综上所述,我们认为实验中得到的浅蓝色同体应该是含 有少于5个结晶水的硫酸铜品体的颜色. (3)无水乙醇中还含有0.5的水,为什么无水硫酸铜加 入后不变成蓝色呢? 我们知道,实验室用工业酒精制取无水乙醇时,是向工业 酒精中加入生石灰,然后蒸馏,得到无水乙醇的.氧化钙也不 能夺取无水乙醇中极少量的水.氧化钙和水化合生成氢氧化 钙的过程中放出的热量为65.17kJ/mol.这一能量和无水硫 酸铜化合生成五水硫酸铜的过程放出的热量差不多,因此无 水硫酸铜也不能夺取无水乙醇中极少量的水.可能的原因是 无水乙醇中含水量太小,乙醇小分子形成了团簇状大分子而 把水分子包裹其中,此时能量壁垒比较高,无水硫酸铜想要夺 取里面的水分子变得非常嗣难.因而仍保持白色. 3结论 ?52?化学教育2007年第12期 由上面的实验探究和分析讨论,我们认为田宗学老师得 出的结沦"无水硫酸铜检验乙醇巾是否含水的结论并不可 靠,更是一个错误性的结论"是片面的.当乙醇中含水量大 于5时,还是可以用尤水硫酸铜来检验的(接近5%时可能 不够灵敏). 参考文献 [1]天津化工研究院.无机盐工业手册(下册).北京:化学工业出版 社.2006:124—13o [2]严宣申.化学教育,2007.28(5):59 r3l_武汉大学等.无机化学(下册).北京:高等教育出版社,1994 834 [4]武汉大学等.无机化学(下册).北京:高等教育出版社,1994 896—897 (上接第50页) 3.3的验证 6O名学生白由组成24组(每小组2,3人).依《预习报 告》确定的探究方案,为保证安全,探究有度,教师应先行一 步,将铝粉与供氧剂的质量比控制在安全范围内,要求学牛 按方案完成,以下是实验后《实验报告》的反馈情况. 实验报告:销在空气中燃烧的实验探究 组员姓名,一 一 , 实验过程 药品 序号铝箔或KCI()3或操作 铝粉KMn(),步骤实验现象解释 —— 氧化膜隔铝箔(厚空气 l().1Inln)不燃绝了铝与 氧气的接 cm^crr氧气触 安静地燃烧.产接触面增 2铝粉2g生耀眼的白光 均与和大量热大 《预 习报可燃 ,比4剧 KCIO3告》烈 . 火星四溅.比4供()!3铝粉1 . 5g相同0 . 6g产生耀眼白光量多 和大量热 KMI1(), 可燃.比3缓比3供O! 4铝粉1.5g慢,其余与3基量少0 . 6g本相同 3.4智慧的思考 下列问题,由设计此方案的各组推荐一名同学回答. [师问]A.想到铝粉代铝箔或混入供氧剂(KC10.或 KMnO)的思维起点在哪里? B混合物渗透于脱脂棉中是怎样想到的? C.铝粉,铝箔表面都有氧化膜,为什么铝粉能点然,铝箔 却不能(由课外化学兴趣小组完成相关的实验探究)? [A问的回答]为同体物质的反应速率随同体接触面 积增大而加快,所以用铝粉代铝箔.因为KC10,或KMn(~ 受热可产生().,所以选为供氧剂. [B问的回答]由人民教育f}I版社化学室编着的高一化 学(必修)演示[实验26]..脱脂棉包裹过氧化钠粉末"得到 启示,所以将铝粉与供氧剂的混合物渗透于脱脂棉中. [C问的回答]资料介绍氧化铝有多种变体,常见的有 不与酸,碱反应,性质稳定的旷A1z(;另一种是能与酸,碱反 应,高温下不稳定,有催化活性的A1.(. 经实验,所用的铝箔或铝粉都能与酸或碱溶液反应,产 生气泡所以氧化膜是Al:(). 取等面积的A,B2块铝箔,将A按[实验4—1]加热至 红热再冷却,在A,B两块铝箔中同时分别加入同浓度的足 量的盐酸,A与B相比,开始产生气泡的时间A在B之后, 速率A比B慢,且气体总量A也少于B.说明在加热过程 中A的氧化膜增厚,0.1rnlTl厚的铝箔几乎氧化殆尽.我们 认为这口J能是铝箔在氧气或空气中不燃的主要原因(需探 究). 铝粉在空气中可燃的原因,该小组认为:首先同质量的 铝粉的表面积比铝箔大若干倍;再是活性的A1z()3在高温 下可能是铝氧化的催化剂(需探究). [师评价]回答很好!我深切地感受到同学们潜藏着一 股勃发的探究热情和难以预测的智慧,正等着我们用知识的 琼浆去唤醒,用探究的艺术去开发…… [课堂氛围]掌声不已.学情振奋,大有再行探究的欲 望. 4探究后反思 学生对自己果不其然的设计产生了喜悦的情感共鸣:空 气代氧气.化繁为简,节约时间;燃烧铝粉,白光耀眼,犹如岩 浆在流淌,使人开心.令人叫绝;燃烧混有供氧剂的铝粉,星 光灿烂,好似烟花庆佳节,使人赏心悦目,学生赞叹不已.有 效地开发和弥补了[实验4—1]的不足,提高了学生大胆质 疑,挑战权威的自信.因此,教师和学生不是外在于课程,而 是课程的有机构成部分并作为相互作用的主体,学生与教师 应共同参与课程开发.所以,教学不只是忠实地实施课程计 划的过程,而更是课程刨生与开发的过程. 在失败巾质疑,于探究中发现,整个过程实现了学生的 参与.思维在质疑中激活;智慧在探究巾唤醒;发现在实验 巾诞生.正可谓:失败引导成功,探究结晶智慧. 参考文献 [1]北京师范大学,华中师范学院,南京师范学院无机化学教研室. 无机化学.北京:人民教育出版_}十,1981:759760 E2]小山.教师教学究竟靠什么.北京:北京大学出版丰十,2002:34