论文导读：金属钠与硫酸铜溶液的反应。如果以上述三种实验情形中所发生的反应来综合考虑钠与硫酸铜溶液反应时沉淀的生成与溶解情况。反应异常，金属钠与硫酸铜溶液反应实验分析。
关键词：金属钠，硫酸铜溶液，反应异常，分析
金属钠与硫酸铜溶液的反应，这似乎是早已熟知的简单的基础化学知识。通常认为它们反应的实质是：钠与水反应产生氢氧化钠，同时氢氧化钠又与硫酸铜反应产生氢氧化铜，钠不能从溶液里置换出铜。有的资料和检测题中提到，它们反应的现象为：钠浮在液面上，熔化成小球，四处游动，发出响声，析出蓝色沉淀，反应后的溶液的质量减轻。为了让学生亲历和验证这些现象，我们进行了下列初步的实验与观察，结果却出现了一些出乎意料的现象，现分别记录、浅析如下，管见所及，仅供参考。
【实验1】将一小块钠（约为绿豆大小）投入到10毫升硫酸铜稀溶液里观察。（实验中控制好钠块的大小用量以保证实验安全，同时，为了避免钠表面的煤油等物质干扰实验，注意用滤纸尽量吸干钠表面的煤油，从中间切取钠块来进行实验，反应容器为50毫升小烧杯。论文发表，反应异常。）
钠浮在液面上，熔化成闪亮小球，四处游动，发出“嘶嘶”声响直至消失，析出蓝绿色沉淀。若将反应后的混合物加热至沸腾则成为蓝绿色悬浊液，未见分解出黑色氧化铜。这说明该沉淀具有较强的稳定性，此条件下受热不能发生分解，因此可以肯定该沉淀不是氢氧化铜。实际上该沉淀应是碱式铜盐[一般文献资料记载这种盐的组成为Cu2(OH)2SO4，也有的观点认为是Cu4(OH)6SO4，它的化学性质比较稳定，受热不易分解]。这是由于实验所用的钠块较小，产生的氢氧化钠不足，因而未能使硫酸铜转化成氢氧化铜。主要反应如下：
2Na+ 2H2O ＝ 2NaOH + H2↑
2CuSO4 + 2NaOH ＝ Cu2(OH)2SO4↓ + Na2SO4
或4CuSO4 + 6NaOH ＝ Cu4(OH)6SO4↓ + 3Na2SO4
【实验2】将一小块钠（约为豌豆大小）投入到10毫升硫酸铜稀溶液里观察。论文发表，反应异常。
钠浮在液面上，熔化成闪亮小球，四处游动，发出“嘶嘶”声响直至消失，析出蓝色絮状沉淀。若将反应后的混合物加热则很快变为黑色悬浊液,再将其离心沉淀后，上部溶液几乎无色，底部析出黑色固体，倾去上部溶液，加入少量稀硫酸振荡，黑色固体溶解，得到蓝色溶液。由此可以肯定该黑色固体应是氧化铜，它是由蓝色絮状沉淀氢氧化铜在加热时分解产生的。主要反应如下：
2Na+ 2H2O ＝ 2NaOH + H2↑
CuSO4 + 2NaOH ＝ Cu(OH)2↓ + Na2SO4
【实验3】将2～3小块钠（每块约为豌豆大小）先后投入到10毫升硫酸铜稀溶液里观察。
钠浮在液面上，熔化成闪亮小球，四处游动，发出“嘶嘶”声响直至消失，析出蓝色絮状沉淀，同时还发现反应混合物的颜色逐渐起了变化，稍加摇动可见混合物由普通蓝色变为鲜亮的纯蓝色，且浑浊程度不大。若向混合物中加几滴稀硫酸，则混合物又恢复原来的颜色及重现蓝色絮状沉淀。论文发表，反应异常。这是为什么呢？从《基础无机化学》（尹敬执，申泮文.人民教育出版社.1980）一书中查到，这是因为氢氧化铜微显两性，它既能溶于酸，也能溶于强碱溶液。这里所用的钠量较大而生成了较多的氢氧化钠，溶液的碱性很强，结果使部分氢氧化铜转化成四羟基合铜酸钠而溶解，四羟基合铜酸钠遇酸又析出氢氧化铜。论文发表，反应异常。主要反应如下：
2Na+ 2H2O ＝ 2NaOH + H2↑
CuSO4 + 2NaOH ＝ Cu(OH)2↓ + Na2SO4
2NaOH+ Cu(OH)2 ＝ Na2[Cu(OH)4]
值得注意的是，如果以上述三种实验情形中所发生的反应来综合考虑钠与硫酸铜溶液反应时沉淀的生成与溶解情况，那么通过各反应的化学计量数可以推导出：当两种反应物的物质的量比 n(Na)/n(CuSO4)≤2时，生成的沉淀未发生溶解；当2＜n(Na)/n(CuSO4)＜4时，生成的沉淀部分溶解；当n(Na)/n(CuSO4)≥4时，生成的沉淀全部溶解。因此，在未限定钠与硫酸铜溶液的相应量时，笼统地说两者反应后的溶液的质量减轻显然是欠妥当的。
【实验4】将一小块钠（约为绿豆大小）投入到10毫升硫酸铜浓溶液里观察。
钠浮在液面上，熔化成小球，钠球游动但明显较慢，发出“嘶嘶”声响直至消失，析出蓝色絮状沉淀。显然，这里所用的钠块较小而产生的氢氧化钠也不足，为何却不像上述[实验1]那样形成碱式铜盐呢？这是由于硫酸铜溶液较浓，反应时钠球附近的溶液里很快形成了较多的絮状沉淀，它们既阻碍了钠球游动，又阻碍了生成的氢氧化钠向溶液里扩散，因而主要就在溶液的上部形成了氢氧化铜，这时主要化学反应同上述[实验2]。若将反应后的混合物振荡观察，则沉淀又由蓝色逐渐变为蓝绿色（这是由于硫酸铜溶液略显酸性的缘故），这时主要化学反应同上述[实验1]。
【实验5】将一小块钠（约为豌豆大小）投入到10毫升硫酸铜浓溶液里观察。
钠浮在液面上，熔化成小球，游动较慢，发出“嘶嘶”声响并偶尔有轻微燃爆声，析出蓝色絮状沉淀的同时，钠球附近的液面上不断出现黑色固体，直至钠球消失。若将反应后的混合物小心倾去溶液后，加入少量稀硫酸振荡，则蓝色沉淀和黑色固体溶解，得到蓝色溶液。由此看来该黑色固体应是氧化铜，它是怎样形成的呢？与上述[实验4]对比来看，这里的钠块较大，反应较之剧烈，加之钠球游动较慢，热量不能及时散失，温度相应较高，从而使得钠球周围的部分氢氧化铜发生了分解。主要反应如下：
2Na+ 2H2O ＝ 2NaOH + H2↑
CuSO4 + 2NaOH ＝ Cu(OH)2↓ + Na2SO4
Cu(OH)2 △ CuO + H2O
【实验6】将一小块钠（略比豌豆大）投入到10毫升硫酸铜浓溶液里观察。论文发表，反应异常。
钠浮在液面上，熔化成小球，稍作游动后便停在液面及烧杯内壁处，随着燃爆声发出黄色火焰剧烈燃烧起来直至消失，析出蓝色絮状沉淀，同时还可见液面及烧杯内壁上有一些黑色固体和暗红色固体。若将反应后的混合物小心倾去溶液后，加入少量稀硫酸振荡并润洗烧杯内壁，则蓝色沉淀和黑色固体溶解，暗红色固体部分溶解（杯壁及溶液里似有微量红色不溶物），形成蓝色溶液。由此看来该黑色固体应是氧化铜，而暗红色固体中则可能有氧化亚铜与单质铜（虽然氧化亚铜遇稀硫酸可发生歧化反应生成铜，但是杯壁上的红斑点似应为先前反应所形成的铜）。为什么会出现该暗红色固体呢？我们初步认为，这里所用的钠块更大，反应更为剧烈，热量积累迅速，以至于钠球发生爆裂并剧烈燃烧起来（也有产生的氢气随之燃烧），钠球及溶液反应接触面的温度都很高，部分氢氧化铜分解成了氧化铜，同时可能还造成了部分熔化态的钠（其还原性更强）跟氧化铜或硫酸铜直接接触反应的条件，从而使它们发生了还原。主要可能是发生了下列反应（钠燃烧及某些产物与溶液的作用等反应从略）：
2Na+ 2H2O ＝ 2NaOH + H2↑
CuSO4 + 2NaOH ＝ Cu(OH)2↓ + Na2SO4
Cu(OH)2 △ CuO + H2O
2Na＋CuO △ Cu + Na2O
2Na＋2CuO △ Cu2O + Na2O
2Na＋CuSO4 △ Cu + Na2SO4
4Na＋2CuSO4 + H2O △ Cu2O + 2Na2SO4 ＋ H2↑
其中的氢气是否还原了氧化铜呢？我们初步推断，在此特殊的条件下，比较氢气的燃烧与还原氧化铜的两个反应趋向，应当是以前者为主。为了验证熔化状态的金属钠能否将氧化铜和硫酸铜还原的猜想，我们又进行了这样的实验：取一块蒸发皿破损瓷片，往里先放上一小块钠（如豌豆大小），再用少量氧化铜粉末将钠块覆盖住，然后把瓷片支放在泥三角上加热，大约一分钟后氧化铜与钠发生燃烧式剧烈反应，瓷片随之破裂，反应残渣呈棕褐色，其中还有光亮的铜珠清晰可见。改用无水硫酸铜和胆矾粉末分别重复实验，情况完全相同，这充分地证实了熔化状态的金属钠不仅能够还原氧化铜和硫酸铜，而且反应还很剧烈。
通过以上实验活动，学生既获得了一次探索实践过程与方法的锻炼和体验，又对这个实验问题的认识有了一定的加深和拓展。论文发表，反应异常。在硫酸铜溶液里，一方面铜离子的数目远比水分子少，又是被水分子包围着的水合离子，它也就不如水分子那般易于跟钠接触而被还原；另一方面铜离子的氧化性又比氢离子强，它一旦有条件跟钠接触即可被还原的趋势也很大；再加上金属钠跟溶液接触即剧烈反应并放出热量。因此，实验中形成的某些特殊的条件必然引发某些特殊的反应，换句话说，反应条件对于化学反应的影响极为重大，这是客观事实。实验表明，金属钠与硫酸铜溶液作用时，常常就会因为两者的相应量、溶液的浓度、投入钠块的大小或方式甚至容器大小等条件的不同而产生不同的现象和反应。
至此，笔者对于“化学是一门以实验为基础的学科”这句话又有了另外一番体会。理论固然重要，可以指导实践，但鉴于化学反应与实验的复杂性，那种仅仅靠逻辑推理所演绎出来的“实验现象”，有时是靠不住的、不全面的或有偏差的，甚至是有悖于实验事实的，这在日常教学活动中非常值得我们注意和避免，在可能的情况下，只有尽量用实验来亲历考证一番，才能够去伪存真，才能够或更接近于看到实验的本来面目。“理论为本，实践为源”，这是十分重要而不可忽视的治学之道。
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