带膜铝片放入硫酸铜溶液的实验现象及结论的理论分析

摘要：由带膜铝片浸入0.5mol·L-1cuso4溶液中产生的“意外现象”，引发对该实验进行对比探究，综合相关文献对部分实验现象和结论进行阐释，拓展对铝片上自然氧化膜成分和结构的再认识，强化对氧化还原反应类竞争反应的反应规律的全面理解。

苏教版《化学与生活》（选修）专题3第一单元的“活动与探究”栏目中设计了【实验2】（1）向1只小烧杯里加20mL 0.5 mol·L-1CuSO4溶液，把一小块铝片浸入溶液，1-2min后观察铝片表面的现象，将现象填写在表3-2中。

实际课堂教学中发现，此实验的现象为：（室温下）2分钟左右铝片边缘处先有少许的无色气泡附着，后慢慢增多，继而有连续的气泡产生和红色物质析出，在红色附着物慢慢增多的过程中，气泡速度也随之加快，接着铝片中间也有无色气泡附着和斑点状红色物质析出（图1为实验进行11分钟时的图片），与理论上的“无明显现象”存在明显差异，由此引发对此实验进行进一步探究。

一、实验探究

【实验1】（1）将带自然氧化膜铝片的切口处用清漆涂刷后，再浸入新配制的0.5mol·L-1的GASO4溶液中，观察铝片表面的现象。

【现象】约3min后铝片边缘处有少许的无色气泡附着，慢慢增多，约在5min后有连续的气泡产生和红色物质析出，在红色附着物慢慢增多的过程中，气泡速度也随之加快，接着在铝片中间出现无色气泡附着和冒出（见图2）。

（2）将实验1中盛有铝片和硫酸铜溶液的试管，在室温下静置6h后，用pH试纸测定试管内溶液的pH。

【现象】试管内浸在溶液中的铝片上附满了疏松的红色固体物质，溶液几乎变成了无色，但仍有少量的无色气泡从红色的附着物（Cu）上冒出，轻轻晃动一下试管，溶液中有白色胶状的物质出现（如图3所示），溶液的pH=4～5。

【实验2】将去膜（用砂纸打磨）后的铝片浸入新配制的0.5mol·L-1的CuSO.溶液中，观察铝片表面的现象。室温下将试管静置6h，再用pH试纸测定试管内溶液的pH。

【现象】铝片上立即有大量的无色气泡产生和疏松的红色固体附着物析出，溶液的pH=4～5。图4为去膜（右）与带膜（左）铝片对比现象记录。

【实验3】将去膜（用砂纸打磨）后的两块铝片分别放入盛有浓硝酸和浓硫酸的小烧杯中，约3min后取出，用蒸馏水洗净，再分别放入盛有4mL左右的0.5mol·L-1CuSO.溶液的两只试管中，静置观察。

【现象】约5min后，现象与【实验1】现象相似。图5分别是被浓硫酸（左）和浓硝酸（右）浸洗后的铝片浸在0.5mol·L-1CuSO.溶液中4h后的现象。

二、实验现象及结论的理论分析

1.综合实验1和实验2可得：铝片表面在自然状态下形成的氧化膜能被0.5 mol·L-1的硫酸铜溶液腐蚀，铝与硫酸铜溶液反应能产生红色固体物质（cu），且以非有序形貌附着在铝片上，同时产生无色气体（H2）。

2.带膜铝片表面的气泡从无到有，速率先慢后快又逐渐变慢，最后在硫酸铜溶液接近无色后，铝片（附着的铜）上仍有少量无色气泡产生。

在铝表面的氧化膜没有被破坏前，表面的氧化膜阻止了铝与硫酸铜溶液直接接触，所以实验刚开始时没有明显的实验现象。当铝表面的氧化膜被破坏，逐渐裸露的铝直接接触到硫酸铜溶液后，反应①、②即刻发生，反应现象也随即显现，故铝片上气泡从无到有。

相关资料显示，反应物浓度大小、反应温度高低、反应物接触面积大小等都是影响化学反应速率的重要因素。在其它条件不变时，反应物浓度大、反应温度高、接触面积大等都会使反应速率加快。

就此实验而言，由于反应①、②都是放热反应，所以，随着溶液中反应①、②的进行，溶液的温度将逐渐升高;铝表面的氧化膜被腐蚀程度逐渐加大，铝与硫酸铜溶液直接接触的面积逐渐变大;因而，在这两种主导因素的共同影响下，虽然在反应②的进行过程中，溶液中的H+浓度在不断降低，但反应②的速率还将逐渐变大！故，产生气泡速率由慢变快。

不仅如此，溶液中反应①产生的附着在铝上的铜与没反应的铝在溶液中还可形成原电池，形成原电池后也将加快反应②的速率。因为铜与铝在溶液中形成原电池后，铜为正极，溶液中的H+不需要再穿越AI3+的包围到铝片上得电子，而是直接在铜上不断地和电子结合放出氢气，从而加快了氢气产生的速率。所以，铜与铝在溶液中形成原电池后，也能促使反应②的速率加快。

综合溶液温度升高、铝与硫酸铜溶液接触面积增大和在溶液中形成原電池等三个方面的因素可知，溶液中产生氢气的反应②的速率会逐渐由慢变快。而随着反应②的进行，溶液中氢离子浓度将逐渐降低，当氢离子浓度转化成为影响此溶液中反应②速率的主导因素时，反应②的速率将随着溶液中氢离子浓度的降低而减小。由于在其它条件不变时，反应物浓度降低，反应速率变小，所以，在后期的反应中，随着溶液中氢离子浓度逐渐降低，反应②的速率也随之逐渐变慢。故才有“实验中铝表面的气泡从无到有，速率先慢后快又逐渐变慢”的现象产生。

由于在试管内溶液接近无色时，溶液仍呈弱酸性（pH=4～5），浸在溶液中的铝发生原电池反应（析氢腐蚀），在铜（原电池的正极）上产生H2，所以有“硫酸铜溶液无色后，铝片（附着的铜）上仍有气泡产生”的现象。

3.对比实验1和实验3可得：常温下，铝在浓硝酸或浓硫酸中钝化后形成的氧化膜和在自然状态下形成的氧化膜都可以被0.5mol·L-1的硫酸铜溶液（pH=3.59）腐蚀，但在同等条件下，铝在浓硝酸中钝化后形成的氧化膜被0.5mol·L-1的硫酸铜溶液腐蚀的速率相对要慢一些。

三、实验结论延伸

1.中学化学教学中慎重演绎教材中一些特定实验的实验结论。

从苏教版《化学与生活》（选修）专题3的知识逻辑设置上看，再综合与此实验相关的理论分析，不难看出，苏教版《化学与生活》（选修）教材在此设置此实验的主要目的是想通过【实验2】（1）中的“2min内无明显现象”的现象，来证明“铝片的表面有氧化膜存在，且此氧化膜能阻碍CuSO4和AI的置换反应”;另一方面是想引导学生结合【实验2】（2）和（3）来说明“氧化铝具有“两性”，较易溶于酸或碱溶液”。但教学中若由此而演绎出“0.5 mol·L-1硫酸铜溶液不能破坏铝表面的氧化膜”的结论，就显得不太合适。

2.讨论盐溶液对铝表面氧化膜影响时，要综合考虑铝表面氧化膜的形成条件、氧化膜的组成和结构、盐溶液的成分及其酸碱性等因素。

铝在不同外界条件下形成的氧化膜的成分和结构存在差异，讨论盐溶液对铝表面氧化膜影响时，应综合考虑铝表面氧化膜的形成条件、氧化膜的组成和结构、盐溶液的成分及其酸碱性等因素。若铝表面氧化膜的成分中α-AI2O3含量较多，γ-AI2O3和氧化铝水合物含量较少，此氧化膜就不太容易被一些盐溶液腐蚀，因为α-AI2O3具有晶格结构紧密、对离子的传导性小、在水、酸、碱、盐等溶液中溶解度低等特点，耐腐蚀性及绝缘性好。若氧化膜的成分中γ-AI2O3和氧化铝水合物含量较多，α-AI2O3含量较少，且覆盖不够完整，致密性不强，此氧化膜就容易被一些盐溶液腐蚀，因为γ-AI2O3的颗粒小，表面积大，具有良好的吸附性能和催化活性，稳定性比α-AI2O3稍差，可溶于酸和碱，又称活性氧化铝”。

若是相同的铝，在相同的外界条件下形成的氧化膜，其组成和结构相同，讨论不同的盐溶液对其影响时，则要重点考虑盐溶液成分和溶液的酸碱性。例如：讨论分别含有CI-、SO42-、NO3-的三种钠盐溶液对铝表面自然氧化膜的影响时，就可以从“C1-相对于SO42-、NO3-等有较小的半径和相对较大的电子密度、C1-穿过膜孔与AI3+的配位能力强、易形成配位离子[AICI4]”等方面进行分析，可得“含CI-的钠盐溶液易使氧化膜破坏，而SO42-、NO3-反而会抑制氧化膜的破坏”。

3.对氧化还原类竞争反应先后顺序问题的再认识。

在中学化学课堂教学中，对类似“溶液中一种氧化剂（还原剂）与多种还原剂（氧化剂）、一种酸（碱）性物质与多种碱（酸）性物质等反应先后顺序”问题的讨论时，普遍认为是遵循“强者优先”（即“谁强谁先”）的原则，且“先”多被认为是“先反应、反应速率快（即先产生相应的实验现象快）”等。

室温下，在0.5mol·L-1的硫酸铜溶液（pH=3.59）中，从热力学角度分析：

可得Cu2+的氧化性比H+的氧化性强，而此实驗中“先产生气泡后析出红色固体”的现象，却与通常所说的“强者优先”产生了冲突。

由此可见，全面、准确理解“竞争类反应中强者优先”的原则，不能仅从化学热力学数据方面进行分析和判断，还要综合“化学热力学、动力学数据，将反应置于真实的情境中进行理论分析”，只有当某个具体反应的化学热力学顺序和化学动力学顺序一致时，“谁强谁先”的结论才有真实的意义！因为竞争类反应的先后顺序受化学热力学和化学动力学两种因素共同影响，电极电位只是热力学数据，可以说明反应的可能性和进行程度的大小，它与反应速率无关，反应速率的大小和反应的剧烈程度是动力学的反应活性，不是热力学性质，“化学反应速率的快慢与反应的机理和反应物的性质都有关系，一些反应速率的快慢顺序与反应物性质的强弱顺序虽然可能是一致的，但反应物的性质强弱并不一定是决定反应速率快慢的本质原因”。