甲醛與新制氫氧化銅反應實驗的研究

伍強+蔡益

摘要：對過量甲醛與新制氫氧化銅的反應，有人認為生成銅、一氧化碳和水，也有人認為生成氧化亞銅、碳酸鈉和水。為了得出正確的反應原理，對反應產物作了檢測：反應生成的氣體物質是氫氣，固體物質主要成分是單質銅，反應后的溶液中不含碳酸根和銅離子。對反應機理作了探究，得出過量甲醛與新制氫氧化銅反應生成銅、甲酸鈉和水的結論，氫氣是副反應的產物。

關鍵詞：新制氫氧化銅；甲醛；反應機理；實驗探究

文章編號：1005–6629（2015）6–0077–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

甲醛與新制氫氧化銅反應，還原產物是Cu還是Cu2O，氧化產物是CO還是Na2CO3，需通過實驗研究作定論。

1 實驗試劑

主要試劑：20% NaOH溶液（密度為1.18g/mL）、37%～40%甲醛溶液（密度為1.12g/mL）、0.5 mol·L-1 CuSO4溶液、25%～28%濃氨水、10% AgNO3溶液、HCOONa·2H2O晶體、CuCl晶體、甲醇

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，用溫度計測定水浴溫度，水浴加熱盛有反應物的小試管，排水法收集生成的氣體。小試管上口連接豎直長玻璃管，目的是冷凝回流甲醛。

3 生成物成分的檢測

各反應物用量：20%的NaOH溶液12mL，含有NaOH約為7.1×10-2 mol；37%～40%的甲醛溶液6mL，含有甲醛約為8.3×10-2 mol；0.5 mol·L-1 CuSO4溶液8mL，含有CuSO4為4.0×10-3 mol。NaOH物質的量為CuSO4的18倍，甲醛物質的量為CuSO4的21倍，確保反應溶液的堿性和Cu（OH）2完全被還原。

取一支容積為38mL的小試管，依次加入20% NaOH溶液12mL、0.5 mol·L-1 CuSO4溶液8mL、37%～40%甲醛溶液6mL，搖勻后，連接裝置，放入65℃水浴中加熱。

實驗過程有三個明顯的現象。前期（約3min）：反應物由藍色逐漸變為綠色、黃棕色、紅棕色、深棕色，生成深棕色固體小顆粒，產生少量微小氣泡。中期（約3min）：深棕色固體逐漸變為紫紅色蓬松固體，產生大量的微小氣泡，反應物上下劇烈翻動，液面上漲，紫紅色蓬松固體逐漸沉淀。后期（約7min）：溶液變澄清，沉于試管底部的紫紅色蓬松固體中放出少量氣泡。收集到的氣體體積為76mL。

實驗1：暴鳴試驗。取小試管用排水法收集生成的未知氣體，做暴鳴試驗，產生暴鳴聲。初步斷定未知氣體為CO或H2。

實驗2：銀氨溶液檢驗CO。取10% AgNO3溶液10mL，滴加濃氨水至沉淀恰好溶解（約用1.2mL濃氨水），得到銀氨溶液備用。取三支小試管用排水法收集滿CO、H2、未知氣體，分別加入2mL銀氨溶液，用橡皮塞塞緊并振蕩試管。盛有CO的試管中溶液立即變黑色并出現較多的黑色小顆粒銀[4]。盛有H2和未知氣體的試管中均無明顯現象。生成的未知氣體不是CO，那是不是H2呢？

實驗3：CuO檢驗H2，進一步確認生成的未知氣體不是CO。增大反應物用量，在100mL錐形瓶中進行甲醛與新制Cu（OH）2反應，將生成的未知氣體用排水法收集做暴鳴試驗，驗純后再將氣體通入如圖2所示實驗裝置（固定裝置略）。點燃酒精燈，加熱一段時間。觀察到以下實驗現象：有少量CuO變紅色，無水CuSO4變藍色，澄清石灰水中無明顯現象。結論：生成的氣體物質是H2。

3.3 生成固體物質的檢測

Cu2O溶于氨水，反應式為：Cu2O+4NH3·H2O=2[Cu（NH3）2]++2OH-+3H2O，無色的[Cu（NH3）2]+在空氣中不穩定，立即被氧化為藍色的[Cu（NH3）4]2+，反應式為：4[Cu（NH3）2]++8NH3·H2O+ O2=4[Cu（NH3）4]2++4OH-+6H2O[5]。Cu能不能溶于氨水呢？取少量細Cu絲放入小試管中，加滿濃氨水，用橡皮塞塞緊（不留氣泡），Cu絲沒有明顯溶解，將無色溶液轉移到錐形瓶中，搖動錐形瓶，溶液還呈無色。將細Cu絲轉移到錐形瓶中，加適量濃氨水，搖動錐形瓶Cu絲溶解，溶液呈現深藍色。因此Cu不溶于氨水，但在O2作用下Cu溶于氨水生成[Cu（NH3）4]2+，反應式為：2Cu+O2+ 8NH3·H2O=2[Cu（NH3）4]2++4OH-+6H2O。

第一步實驗：Cu2O的溶解和檢驗。從水浴中取出小試管，吸去小試管中溶液，剩下紫紅色固體物質，用煮沸過的水洗滌1～2次。加滿濃氨水，用橡皮塞塞緊（不留氣泡）。不時上下顛倒搖動試管，2天后將無色溶液轉移到錐形瓶中，搖動錐形瓶無色溶液很快變為很淺的藍色，再轉移到50mL的容量瓶（1）中并加濃氨水定容。結論：生成固體物質中含有較少的氧化亞銅。

第二步實驗：單質Cu的溶解和檢驗。將未溶解細小的固體轉移到錐形瓶中，加適量的濃氨水，搖動錐形瓶，細小的固體較快溶解，溶液呈很深的藍色，再轉移到50mL的容量瓶（2）中并加濃氨水定容。結論：生成固體物質中含有較多的單質Cu。

第三步實驗：單質Cu和Cu2O含量測定。取容量瓶（2）中溶液0.5mL于50mL的容量瓶中，加濃氨水定容，溶液顏色與容量瓶（1）溶液顏色相近，則容量瓶（2）中0.5mL溶液含銅量與Cu2O含銅量相當。生成的固體物質中單質Cu與Cu2O物質的量比為50：0.25，則單質Cu質量百分含量為50mol×64 g·mol-1/（50mol×64 g·mol-1+0.25mol×144 g·mol-1）=98.9%，Cu2O質量百分含量為1.1%。結論：生成的固體物質主要成分是單質Cu。

4 反應機理的探究

Cu2O的制備：由于制備方法和反應條件不同，Cu2O晶粒大小不同而呈現多種顏色，如黃色、紅色、深棕色等[6]。取試管，加入0.4g CuCl（含Cu量與8mL 0.5 mol·L-1 CuSO4溶液相當），再加入20mL的水煮沸水解，滴加幾滴2%NaOH溶液再煮沸，生成黃色細小的Cu2O晶粒，洗滌備用。

H2、Cu2O和Cu是怎樣生成的？推測：甲醛在濃NaOH溶液作用下，發生康尼查羅反應生成甲醇和甲酸鈉。甲醇在催化劑作用下發生脫氫反應生成H2和甲醛。甲醛還原Cu（OH）2生成Cu2O，過量甲醛進一步還原Cu2O生成Cu。Cu（OH）2氧化甲醛生成甲酸鈉還是Na2CO3？為此設計七個實驗，探究反應機理。多次實驗，記錄生成H2體積的范圍。實驗結果見表1。

[實驗1]反應物初始溫度以及混合均勻程度對生成H2的量影響較大。固體物質中單質Cu質量百分含量在98%以上。由于CuSO4用量較多，生成Cu（OH）2懸濁液，有比較少的Cu2O未被甲醛還原生成Cu。另外各反應物用量減少一半直接用酒精燈加熱實驗，也能收集到40～46mL的H2。

[實驗2]生成的紫黑色非常細小顆粒不溶于濃氨水，是單質Cu。由于CuSO4用量較少，生成Na2[Cu（OH）4]被過量甲醛還原生成Cu。

[實驗3]不同的水浴溫度可生成黃色、紅色等顏色的細小顆粒。生成的細小顆粒溶于氨水，是Cu2O晶粒。由于CuSO4用量較少，生成Na2[Cu（OH）4]被適量甲醛還原生成Cu2O晶粒。

[實驗4]用實驗2生成的Cu粉實驗，無氫氣生成，Cu沒有催化作用，

[實驗5]用實驗3生成的Cu2O晶粒實驗，無氫氣生成，Cu2O沒有催化作用。

[實驗6]用制備的黃色細小的Cu2O晶粒實驗，可觀察到以下實驗現象：試管底部黃色的Cu2O晶粒由上至下逐漸轉化為紫紅色蓬松Cu，蓬松Cu表面產生大量微小的氣泡，當蓬松Cu上浮到液面時就沒有產生氣泡。Cu2O被甲醛還原生成Cu，剛生成的Cu有催化作用，但很快失去催化能力，稱之為活性Cu。

[實驗7]實驗無明顯現象。從水浴中取出小試管，向小試管中加入碎瓷片，直接用酒精燈加熱試管，煮沸二十分鐘只是溶液被濃縮、藍色變深。因此在通常情況下，Cu（OH）2與甲酸鈉不反應，Cu（OH）2氧化甲醛只能生成甲酸鈉。

5 實驗結論

6 實驗探究的思考

文獻[1]作者又有文章指出：甲醛與新制Cu（OH）2反應生成CO、Cu和H2O的反應是化學中“個性”[9]。事實上是作者把副反應的產物H2誤認為是CO，又將CO當成甲醛與新制Cu（OH）2反應的產物，甲醛與新制Cu（OH）2反應生成CO的機理是無法考證的。因此在研究化學反應原理時，對產物檢測要注意嚴密性，對產物判斷要注意科學性。

我們知道，乙醛與新制Cu（OH）2反應主要產物是Cu2O和乙酸鈉，由此推知甲醛與新制Cu（OH）2反應主要產物是Cu2O和甲酸鈉。由于甲醛還原性較強，過量甲醛能還原Cu2O生成Cu；甲酸鈉還原性較弱，甲酸鈉與Cu（OH）2不反應，因此過量甲醛與新制Cu（OH）2反應主要產物是Cu和甲酸鈉。由于同類物質的化學性質相似，因此對同類物質發生的化學反應進行類推是非常必要的，否定它就可能導致錯誤。然而也要注意同類物質化學性質存在差異，忽略它也可能導致錯誤。雖然研究者在實驗探究過程中出現這樣那樣的錯誤，但為甲醛與新制Cu（OH）2反應主要產物的檢測將成為教學的典型素材奠定了基礎。

參考文獻：

[1]夏立先.對甲醛與新制氫氧化銅反應的實驗研究[J].中學化學教學參考，2011，（6）：46～47.

[2]陳廷俊.探究甲醛與新制氫氧化銅的反應[J].中學化學教學參考，2012，（12）：62～63.

[3][5][6]北京師范大學等.無機化學（第4版，下冊）[M].北京：高等教育出版社，2003：564，704，704.

[4]陸燕海.銀氨溶液檢驗CO氣體[J].化學教學，2012，（1）：48～49.

[7][8]邢其毅等.基礎有機化學（第3版，上冊）[M].北京：高等教育出版社，2005：550，553.

[9]夏立先.學生在化學學習中形成錯誤認識的原因分析及對策[J].化學教育，2013，（12）：46～47.