1、 - 8 -硫酸銅與碳酸氫鈉的反應 李晶晶 （浙江省鎮海中學 寧波 315200）摘 要：硫酸銅和碳酸氫鈉在水溶液中的反應是生成氫氧化銅還是生碳酸銅？本文從理論分析和實驗探究兩個方面進行，證明硫酸銅和碳酸氫鈉反應的產物為不同組分的堿式碳酸銅（mCu(OH)2nCuCO3），并伴隨一定量的CO2氣體放出。關鍵詞：氫氧化銅；碳酸銅；水解；電離在化學反應原理中，有些鹽類能發生徹底的雙水解反應，如泡沫滅火器的原理，硫酸鋁與碳酸氫鈉發生雙水解生成氫氧化鋁，釋放出二氧化碳。類似的，Al3+、Fe3+與CO32-也是發生徹底的雙水解反應，所以，在現行的蘇教版化學11和化學反應原理2的附錄常見酸、堿和鹽的溶解

2、性表（20）中，Al3+、Fe3+與CO32-是用“-”表示，即表示那種物質不存在或遇到水就分解了，而在Cu2+與CO32-一欄則是“難”，表示物質難溶于水。那么碳酸銅和碳酸氫鈉反應是徹底的雙水解反應，還是會生成碳酸銅呢？針對這個問題，作了如下理論分析和實驗研究。1 理論分析碳酸氫鈉與硫酸銅的反應1.1 氫氧化銅與碳酸銅的性質氫氧化銅3為淡藍色固體，8090分解為CuO，能溶于濃堿和氨水中，Ksp=2.610-19。查閱多種資料，發現目前為止并未制取得到純凈的碳酸銅4，水溶液中不存在碳酸銅，碳酸銅遇水立即雙水解為氫氧化銅和堿式碳酸銅的混合物（具體產物視溶液酸堿性而定）。但在多個文獻中可以查到碳

3、酸銅的溶度積常數，為2.310-10，這數據可能是通過熱力學函數計算得出的。 CuCO3(s) = Cu2+(aq) + CO32-(aq)(kJ/mol) -518 65.52 -52.9 =65.52kJ/mol - 527.9kJ/mol - (-518)kJ/mol=55.12kJ/mol-=RTln Ksp lnKsp = -22.2 Ksp 2.310-10 計算結果與所查常數值較為一致。1.2 理論計算碳酸氫鈉與硫酸銅反應的可能產物 查表3得碳酸的一級、二級電離常數和氫氧化銅、碳酸銅的溶度積常數。 H2CO3 HCO3 H Ka1=4.3 10-7 HCO3 CO32 H Ka2

4、=5.61 10-11 Cu(OH)2 Cu2 2OH Ksp = 2.610-19 CuCO3 Cu2+ CO32- Ksp= 2.310-10 以0.100molL-1相同濃度的碳酸氫鈉和硫酸銅反應為例進行計算分析。在碳酸氫鈉中同時存在碳酸氫根的電離和水解： HCO3 CO32 H Ka2=5.61 10-11 c( CO32 ) 2.4 10-6 HCO3 H2O H2CO3 OH- Kh = 2.3 10-8 c( OH ) 4.8 10-5 生成CuCO3 Q1= 0.100 2.4 10-6 =2.4 10-7 Ksp(CuCO3) ; 生成Cu(OH)2 Q2= 0.100 (4

5、.8 10-5 )2=2.3 10-10 Ksp(Cu(OH)2) ; 根據計算，0.100molL-1的碳酸氫鈉和硫酸銅反應既有氫氧化銅又有碳酸銅生成，因此，生成的沉淀可能是不同組分的堿式碳酸銅。查閱堿式碳酸銅的相關資料發現5 ，堿式碳酸銅的組成并不固定，不同反應物和配比得到的堿式碳酸銅組成不同，科學的表達式應該是mCu(OH)2nCuCO3。不同濃度的碳酸氫鈉和硫酸銅反應現象有無差異？理論上碳酸氫鈉和硫酸銅反應是先析出氫氧化銅還是堿式碳酸銅？通過進一步的計算，確定在一定濃度的硫酸銅溶液中，開始生成碳酸銅和氫氧化銅的碳酸根濃度和氫氧根濃度分別是多少。以0.100molL-1的CuSO4為例：

6、 Cu(OH)2 Cu2 2OH Ksp = 2.610-19 c(Cu2) c(OH)2=2.610-19 c(OH)1.610-9 CuCO3 Cu2+ CO32- Ksp= 2.310-10 c(Cu2) c(CO32-)=2.310-10 c(CO32-)2.310-9 1.5 （對于任一濃度的硫酸銅，=）根據計算可以看出，理論上，c(CO32-)與c(OH)比值大于1.5時，先生成碳酸銅沉淀，當比值小于1.5時，先生成氫氧化銅沉淀。在0.100molL-1的碳酸氫鈉中，算得 c( CO32 ) 2.4 10-6 ， c( OH )4.810-5 ，c(CO32-)與c(OH)比值約為

7、0.05，遠遠小于1.5，理論上應先析出氫氧化銅。但隨著氫氧化銅的析出，溶液中氫氧根濃度減小，減小到c(CO32-)與c(OH)比值為1.5時，析出碳酸銅。最終產物應為堿式碳酸銅。上述計算是以0.100molL-1的碳酸氫鈉和硫酸銅為例計算的，不同濃度的碳酸氫鈉、硫酸銅中氫氧根濃度、碳酸根濃度和銅離子濃度不同，但通過計算可以發現，在不同濃度的碳酸氫鈉中，根據理論計算，c(CO32-)與c(OH)比值是一定值，約為0.05，而恰好沉淀時c(CO32-)與c(OH)比值隨c(Cu2+)的遞增而減小。查閱資料可得，碳酸氫鈉在25的溶解度為10.35g，計算為物質的量濃度約為1.1molL-1，硫酸銅

8、在25的溶解度為22.3g，計算為物質的量濃度約為1.1molL-1。所以在兩者均為飽和的濃度均約為1.00molL-1，類似上述計算過程，可得出1.00molL-1的碳酸氫鈉中，c(CO32-)7.510-6 ，c(OH)1.510-4。 而根據恰好析出沉淀兩種離子的量，c(CO32-)與c(OH)比值小于0.5時，先生成氫氧化銅沉淀，因此，飽和的兩種溶液混合，也是先析出氫氧化銅沉淀，同時伴隨CO2氣體放出。但是理論計算有一定的局限性，不能真實反映溶液中的離子濃度，有文獻6指出，碳酸氫鈉中有不對稱氫鍵形成的無限的HCO3-鏈狀結構，隨著碳酸氫鈉濃度的增加，HCO3-間氫鍵的締合作用程度逐漸增

9、大，導致發生電離與水解的HCO3-量反而減少。因此，本文中的理論討論部分可能與實際的溶液中，碳酸氫根濃度和氫氧根濃度有所差異。2 實驗探究碳酸氫鈉與硫酸銅的反應2.1 碳酸氫鈉和硫酸銅反應的定性研究 為研究碳酸氫鈉和硫酸銅的反應，分別配置0.1molL-1、0.5molL-1和1.0molL-1的NaHCO3和CuSO4溶液，分別向三種不同濃度的NaHCO3中逐滴滴加不同濃度的CuSO4溶液以及向三種不同濃度的CuSO4中逐滴滴加不同濃度的NaHCO3溶液，記錄現象。再將反應后的產物取上層清液滴加鹽酸，若不產生氣泡說明碳酸氫鈉已反應完全，則取沉淀物滴加鹽酸觀察現象，若上層清液滴加鹽酸產生氣泡，

10、則取出上層清液，向沉淀物中加蒸餾水洗滌，至上層清液加鹽酸不產生氣泡為止，取沉淀物滴加鹽酸，觀察現象。表1 向不同濃度的NaHCO3中逐滴滴加不同濃度的CuSO4序號NaHCO3CuSO4濃度滴加過程中的現象沉淀物加鹽酸10.1 molL-15mL0.1molL-1滴加3滴時開始出現渾濁，渾濁為淺綠色，繼續滴加后沉淀慢慢轉變為藍綠色，過程中未見明顯氣泡產物溶解，未見明顯氣泡20.5molL-1滴加1滴即出現渾濁，滴加過程中渾濁由淺綠色逐漸變為藍綠色，未見明顯氣泡產物溶解，未見明顯氣泡31.0molL-1滴加1滴即出現渾濁，滴加過程中渾濁由淺綠色逐漸變為藍綠色，未見明顯氣泡產物溶解，未見明顯氣泡4

11、0.5molL-15mL0.1molL-1滴加5滴時開始出現淺綠色渾濁，開始未見明顯氣泡，滴加2mL時開始產生氣泡，靜置至不再產生氣泡后震蕩又產生氣泡。沉淀顏色不斷轉向藍綠色。產物溶解，然后產生少量氣泡50.5molL-1滴加1滴即出現淺綠色渾濁，開始未見明顯氣泡，滴加0.5mL時開始產生氣泡，靜置至不再產生氣泡后震蕩又產生氣泡。滴加3mL后繼續滴加則產生非常少量氣泡。沉淀顏色不斷轉向藍綠色。產物溶解，然后產生少量氣泡61.0molL-1滴加1滴即出現淺綠色渾濁，4滴后開始產生氣泡，靜置至不再產生氣泡后震蕩又產生氣泡。沉淀顏色不斷轉向藍綠色。產物溶解，然后產生大量氣泡71.0 molL-15m

12、L0.1molL-1開始時產生淺綠色沉淀，震蕩后沉淀溶解，15滴（0.75mL左右）開始沉淀不溶解，1.5mL后開始產生少量氣泡。沉淀顏色不斷轉向藍綠色。產物溶解，然后產生氣泡80.5molL-1開始時產生淺綠色沉淀，震蕩后沉淀溶解，4滴開始沉淀不溶解，0.5mL后開始產生少量氣泡。沉淀顏色不斷轉向藍綠色。產物溶解，然后產生較大量氣泡91.0molL-1滴加1滴即出現淺綠色渾濁，滴加5滴后開始產生大量氣泡。沉淀顏色不斷轉向藍綠色。立即產生大量氣泡，沉淀溶解 向NaHCO3中逐滴滴加CuSO4得到的沉淀為偏藍綠色粉末狀物質，滴加過程中逐漸向偏藍色粉末轉化，產物顆粒極小，靜置沉降時間較久。對比分析

13、，123組實驗，即向5mL 0.1 molL-1的NaHCO3中滴加不同濃度的硫酸銅出現的現象較為相似，都是出現渾濁，顏色從淺綠色逐漸變成藍綠色，沉淀物加鹽酸能較快溶解，但未見明顯氣泡，最終主要產物以氫氧化銅為主，但根據現象，反應過程中可能先產生的堿式碳酸銅，而后逐漸轉化為氫氧化銅。 456和789六組實驗過程現象較為接近，主要出現了藍綠色的渾濁，滴加過程中產生了少量氣泡。沉淀物滴加鹽酸是先溶解后產生氣泡。產物可能是以堿式碳酸銅和氫氧化銅的混合物。第9組實驗滴加鹽酸的現象較特殊，是立即產生大量氣泡，反應產物可能是以碳酸銅組分較多的堿式碳酸銅。表2 向不同濃度的CuSO4中逐滴滴加不同濃度的Na

14、HCO3序號CuSO4NaHCO3濃度滴加過程中的現象沉淀物加鹽酸10.1 molL-15mL0.1molL-1滴加8滴時開始出現淺藍色渾濁，滴加2mL后開始出現少量氣泡產物溶解，產生微量氣泡20.5molL-1滴加4滴開始出現淺藍色渾濁并伴隨少量氣泡，繼續滴加到2mL后幾乎不再產生氣泡產物溶解，產生較大量氣泡31.0molL-1滴加2滴即出現淺藍色渾濁伴有較多氣泡，靜置后部分沉淀會上浮產物溶解，后產生少量氣泡40.5molL-15mL0.1molL-1開始時微量氣泡，無明顯渾濁，1.5mL時產生淺藍色渾濁并伴有少量氣泡。產物溶解，然后產生微量氣泡50.5molL-1開始時無明顯渾濁，8滴時產

15、生淺藍色渾濁并伴有少量氣泡。產物溶解，然后產生微量氣泡61.0molL-1開始時無明顯渾濁，5滴時產生淺藍色渾濁并伴有較大量氣泡。產物溶解，然后產生少量氣泡71.0 molL-15mL0.1molL-1開始時微量氣泡，無明顯渾濁，2.5mL時產生淺藍色渾濁并伴有少量氣泡。產物溶解，未見明顯氣泡80.5molL-1開始時少量氣泡，10滴時產生淺藍色渾濁并伴有氣泡。產物溶解，然后產生氣泡91.0molL-1開始時少量氣泡，6滴時產生淺藍色渾濁并伴有氣泡。產物溶解，然后產生少量氣泡 對比向NaHCO3溶液中滴加CuSO4與反向滴加，發現向NaHCO3溶液中滴加CuSO4生成的沉淀為藍綠色沉淀，而反過

16、來向CuSO4溶液中滴加NaHCO3溶液產生的是淺藍色沉淀，由此可見，第一種滴加方式生成的主要為堿式碳酸銅，而第二種方式生成的除了堿式碳酸銅，還可能還有較大量的氫氧化銅。2.2 碳酸氫鈉和硫酸銅反應的定量研究表3 向一定濃度的CuSO4中加入一定量相同濃度的NaHCO3序號濃度CuSO4NaHCO3混合后現象沉淀物加鹽酸10.1 molL-15mL2.5mL藍綠色渾濁，幾乎無氣泡產物溶解，產生微量氣泡25.0mL藍綠色渾濁，微量氣泡產物溶解，產生較大量氣泡310.0mL藍綠色渾濁，微量氣泡（比2氣泡更少）產物溶解，后產生少量氣泡40.5molL-15mL2.5mL藍綠色渾濁和氣泡，靜置等不再產

17、生氣泡后震蕩又產生氣泡產物溶解，然后產生少量氣泡55.0mL藍綠色渾濁和較大量氣泡，靜置等不再產生氣泡后震蕩又產生氣泡立即產生氣泡，沉淀溶解610.0mL藍綠色渾濁和大量氣泡，靜置等不再產生氣泡后震蕩又產生氣泡立即產生大量氣泡，沉淀溶解71.0 molL-15mL2.5mL藍綠色渾濁和大量氣泡立即產生大量氣泡，沉淀溶解85.0mL藍綠色渾濁和大量氣泡，沖到試管口立即產生大量氣泡，沉淀溶解910.0mL藍綠色渾濁和大量氣泡，劇烈反應，氣泡帶著沉淀物沖出試管立即產生大量氣泡，沉淀溶解 綜合定性和定量實驗來看，碳酸氫鈉量較多容易產生碳酸銅組分較多的堿式碳酸銅，而硫酸銅量較多易產生更多氫氧化銅組分較多的堿式碳酸銅。3 總結 各種離子在溶液中混合同時包含了多種過程，在水中溶解度也會與單一物質的溶解度不同，理論計算過程中只考慮了簡單的情況，無法綜合各種因素進行考慮。通過以上的理論分析和實驗結果，硫酸銅與碳酸氫鈉的反應生成不同成分的堿式碳酸銅，具體組成因兩種溶液的濃度不同而發生變化，碳酸氫鈉量較多容易產生碳酸銅組分較多的堿式碳酸銅，而硫酸銅量較多易產生更多氫氧化銅組分較多的堿式碳酸銅