硫酸铜与碳酸氢钠的反应

1、 - 8 -硫酸铜与碳酸氢钠的反应 李晶晶 （浙江省镇海中学 宁波 315200）摘 要：硫酸铜和碳酸氢钠在水溶液中的反应是生成氢氧化铜还是生碳酸铜？本文从理论分析和实验探究两个方面进行，证明硫酸铜和碳酸氢钠反应的产物为不同组分的碱式碳酸铜（mCu(OH)2nCuCO3），并伴随一定量的CO2气体放出。关键词：氢氧化铜；碳酸铜；水解；电离在化学反应原理中，有些盐类能发生彻底的双水解反应，如泡沫灭火器的原理，硫酸铝与碳酸氢钠发生双水解生成氢氧化铝，释放出二氧化碳。类似的，Al3+、Fe3+与CO32-也是发生彻底的双水解反应，所以，在现行的苏教版化学11和化学反应原理2的附录常见酸、碱和盐的溶解

2、性表（20）中，Al3+、Fe3+与CO32-是用“-”表示，即表示那种物质不存在或遇到水就分解了，而在Cu2+与CO32-一栏则是“难”，表示物质难溶于水。那么碳酸铜和碳酸氢钠反应是彻底的双水解反应，还是会生成碳酸铜呢？针对这个问题，作了如下理论分析和实验研究。1 理论分析碳酸氢钠与硫酸铜的反应1.1 氢氧化铜与碳酸铜的性质氢氧化铜3为淡蓝色固体，8090分解为CuO，能溶于浓碱和氨水中，Ksp=2.610-19。查阅多种资料，发现目前为止并未制取得到纯净的碳酸铜4，水溶液中不存在碳酸铜，碳酸铜遇水立即双水解为氢氧化铜和碱式碳酸铜的混合物（具体产物视溶液酸碱性而定）。但在多个文献中可以查到碳

3、酸铜的溶度积常数，为2.310-10，这数据可能是通过热力学函数计算得出的。 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 计算结果与所查常数值较为一致。1.2 理论计算碳酸氢钠与硫酸铜反应的可能产物 查表3得碳酸的一级、二级电离常数和氢氧化铜、碳酸铜的溶度积常数。 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相同浓度的碳酸氢钠和硫酸铜反应为例进行计算分析。在碳酸氢钠中同时存在碳酸氢根的电离和水解： 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) ; 根据计算，0.100molL-1的碳酸氢钠和硫酸铜反应既有氢氧化铜又有碳酸铜生成，因此，生成的沉淀可能是不同组分的碱式碳酸铜。查阅碱式碳酸铜的相关资料发现5 ，碱式碳酸铜的组成并不固定，不同反应物和配比得到的碱式碳酸铜组成不同，科学的表达式应该是mCu(OH)2nCuCO3。不同浓度的碳酸氢钠和硫酸铜反应现象有无差异？理论上碳酸氢钠和硫酸铜反应是先析出氢氧化铜还是碱式碳酸铜？通过进一步的计算，确定在一定浓度的硫酸铜溶液中，开始生成碳酸铜和氢氧化铜的碳酸根浓度和氢氧根浓度分别是多少。以0.100molL-1的CuSO4为例：

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 （对于任一浓度的硫酸铜，=）根据计算可以看出，理论上，c(CO32-)与c(OH)比值大于1.5时，先生成碳酸铜沉淀，当比值小于1.5时，先生成氢氧化铜沉淀。在0.100molL-1的碳酸氢钠中，算得 c( CO32 ) 2.4 10-6 ， c( OH )4.810-5 ，c(CO32-)与c(OH)比值约为

7、0.05，远远小于1.5，理论上应先析出氢氧化铜。但随着氢氧化铜的析出，溶液中氢氧根浓度减小，减小到c(CO32-)与c(OH)比值为1.5时，析出碳酸铜。最终产物应为碱式碳酸铜。上述计算是以0.100molL-1的碳酸氢钠和硫酸铜为例计算的，不同浓度的碳酸氢钠、硫酸铜中氢氧根浓度、碳酸根浓度和铜离子浓度不同，但通过计算可以发现，在不同浓度的碳酸氢钠中，根据理论计算，c(CO32-)与c(OH)比值是一定值，约为0.05，而恰好沉淀时c(CO32-)与c(OH)比值随c(Cu2+)的递增而减小。查阅资料可得，碳酸氢钠在25的溶解度为10.35g，计算为物质的量浓度约为1.1molL-1，硫酸铜

8、在25的溶解度为22.3g，计算为物质的量浓度约为1.1molL-1。所以在两者均为饱和的浓度均约为1.00molL-1，类似上述计算过程，可得出1.00molL-1的碳酸氢钠中，c(CO32-)7.510-6 ，c(OH)1.510-4。 而根据恰好析出沉淀两种离子的量，c(CO32-)与c(OH)比值小于0.5时，先生成氢氧化铜沉淀，因此，饱和的两种溶液混合，也是先析出氢氧化铜沉淀，同时伴随CO2气体放出。但是理论计算有一定的局限性，不能真实反映溶液中的离子浓度，有文献6指出，碳酸氢钠中有不对称氢键形成的无限的HCO3-链状结构，随着碳酸氢钠浓度的增加，HCO3-间氢键的缔合作用程度逐渐增

9、大，导致发生电离与水解的HCO3-量反而减少。因此，本文中的理论讨论部分可能与实际的溶液中，碳酸氢根浓度和氢氧根浓度有所差异。2 实验探究碳酸氢钠与硫酸铜的反应2.1 碳酸氢钠和硫酸铜反应的定性研究 为研究碳酸氢钠和硫酸铜的反应，分别配置0.1molL-1、0.5molL-1和1.0molL-1的NaHCO3和CuSO4溶液，分别向三种不同浓度的NaHCO3中逐滴滴加不同浓度的CuSO4溶液以及向三种不同浓度的CuSO4中逐滴滴加不同浓度的NaHCO3溶液，记录现象。再将反应后的产物取上层清液滴加盐酸，若不产生气泡说明碳酸氢钠已反应完全，则取沉淀物滴加盐酸观察现象，若上层清液滴加盐酸产生气泡，

10、则取出上层清液，向沉淀物中加蒸馏水洗涤，至上层清液加盐酸不产生气泡为止，取沉淀物滴加盐酸，观察现象。表1 向不同浓度的NaHCO3中逐滴滴加不同浓度的CuSO4序号NaHCO3CuSO4浓度滴加过程中的现象沉淀物加盐酸10.1 molL-15mL0.1molL-1滴加3滴时开始出现浑浊，浑浊为浅绿色，继续滴加后沉淀慢慢转变为蓝绿色，过程中未见明显气泡产物溶解，未见明显气泡20.5molL-1滴加1滴即出现浑浊，滴加过程中浑浊由浅绿色逐渐变为蓝绿色，未见明显气泡产物溶解，未见明显气泡31.0molL-1滴加1滴即出现浑浊，滴加过程中浑浊由浅绿色逐渐变为蓝绿色，未见明显气泡产物溶解，未见明显气泡4

11、0.5molL-15mL0.1molL-1滴加5滴时开始出现浅绿色浑浊，开始未见明显气泡，滴加2mL时开始产生气泡，静置至不再产生气泡后震荡又产生气泡。沉淀颜色不断转向蓝绿色。产物溶解，然后产生少量气泡50.5molL-1滴加1滴即出现浅绿色浑浊，开始未见明显气泡，滴加0.5mL时开始产生气泡，静置至不再产生气泡后震荡又产生气泡。滴加3mL后继续滴加则产生非常少量气泡。沉淀颜色不断转向蓝绿色。产物溶解，然后产生少量气泡61.0molL-1滴加1滴即出现浅绿色浑浊，4滴后开始产生气泡，静置至不再产生气泡后震荡又产生气泡。沉淀颜色不断转向蓝绿色。产物溶解，然后产生大量气泡71.0 molL-15m

12、L0.1molL-1开始时产生浅绿色沉淀，震荡后沉淀溶解，15滴（0.75mL左右）开始沉淀不溶解，1.5mL后开始产生少量气泡。沉淀颜色不断转向蓝绿色。产物溶解，然后产生气泡80.5molL-1开始时产生浅绿色沉淀，震荡后沉淀溶解，4滴开始沉淀不溶解，0.5mL后开始产生少量气泡。沉淀颜色不断转向蓝绿色。产物溶解，然后产生较大量气泡91.0molL-1滴加1滴即出现浅绿色浑浊，滴加5滴后开始产生大量气泡。沉淀颜色不断转向蓝绿色。立即产生大量气泡，沉淀溶解 向NaHCO3中逐滴滴加CuSO4得到的沉淀为偏蓝绿色粉末状物质，滴加过程中逐渐向偏蓝色粉末转化，产物颗粒极小，静置沉降时间较久。对比分析

13、，123组实验，即向5mL 0.1 molL-1的NaHCO3中滴加不同浓度的硫酸铜出现的现象较为相似，都是出现浑浊，颜色从浅绿色逐渐变成蓝绿色，沉淀物加盐酸能较快溶解，但未见明显气泡，最终主要产物以氢氧化铜为主，但根据现象，反应过程中可能先产生的碱式碳酸铜，而后逐渐转化为氢氧化铜。 456和789六组实验过程现象较为接近，主要出现了蓝绿色的浑浊，滴加过程中产生了少量气泡。沉淀物滴加盐酸是先溶解后产生气泡。产物可能是以碱式碳酸铜和氢氧化铜的混合物。第9组实验滴加盐酸的现象较特殊，是立即产生大量气泡，反应产物可能是以碳酸铜组分较多的碱式碳酸铜。表2 向不同浓度的CuSO4中逐滴滴加不同浓度的Na

14、HCO3序号CuSO4NaHCO3浓度滴加过程中的现象沉淀物加盐酸10.1 molL-15mL0.1molL-1滴加8滴时开始出现浅蓝色浑浊，滴加2mL后开始出现少量气泡产物溶解，产生微量气泡20.5molL-1滴加4滴开始出现浅蓝色浑浊并伴随少量气泡，继续滴加到2mL后几乎不再产生气泡产物溶解，产生较大量气泡31.0molL-1滴加2滴即出现浅蓝色浑浊伴有较多气泡，静置后部分沉淀会上浮产物溶解，后产生少量气泡40.5molL-15mL0.1molL-1开始时微量气泡，无明显浑浊，1.5mL时产生浅蓝色浑浊并伴有少量气泡。产物溶解，然后产生微量气泡50.5molL-1开始时无明显浑浊，8滴时产

15、生浅蓝色浑浊并伴有少量气泡。产物溶解，然后产生微量气泡61.0molL-1开始时无明显浑浊，5滴时产生浅蓝色浑浊并伴有较大量气泡。产物溶解，然后产生少量气泡71.0 molL-15mL0.1molL-1开始时微量气泡，无明显浑浊，2.5mL时产生浅蓝色浑浊并伴有少量气泡。产物溶解，未见明显气泡80.5molL-1开始时少量气泡，10滴时产生浅蓝色浑浊并伴有气泡。产物溶解，然后产生气泡91.0molL-1开始时少量气泡，6滴时产生浅蓝色浑浊并伴有气泡。产物溶解，然后产生少量气泡 对比向NaHCO3溶液中滴加CuSO4与反向滴加，发现向NaHCO3溶液中滴加CuSO4生成的沉淀为蓝绿色沉淀，而反过

16、来向CuSO4溶液中滴加NaHCO3溶液产生的是浅蓝色沉淀，由此可见，第一种滴加方式生成的主要为碱式碳酸铜，而第二种方式生成的除了碱式碳酸铜，还可能还有较大量的氢氧化铜。2.2 碳酸氢钠和硫酸铜反应的定量研究表3 向一定浓度的CuSO4中加入一定量相同浓度的NaHCO3序号浓度CuSO4NaHCO3混合后现象沉淀物加盐酸10.1 molL-15mL2.5mL蓝绿色浑浊，几乎无气泡产物溶解，产生微量气泡25.0mL蓝绿色浑浊，微量气泡产物溶解，产生较大量气泡310.0mL蓝绿色浑浊，微量气泡（比2气泡更少）产物溶解，后产生少量气泡40.5molL-15mL2.5mL蓝绿色浑浊和气泡，静置等不再产

17、生气泡后震荡又产生气泡产物溶解，然后产生少量气泡55.0mL蓝绿色浑浊和较大量气泡，静置等不再产生气泡后震荡又产生气泡立即产生气泡，沉淀溶解610.0mL蓝绿色浑浊和大量气泡，静置等不再产生气泡后震荡又产生气泡立即产生大量气泡，沉淀溶解71.0 molL-15mL2.5mL蓝绿色浑浊和大量气泡立即产生大量气泡，沉淀溶解85.0mL蓝绿色浑浊和大量气泡，冲到试管口立即产生大量气泡，沉淀溶解910.0mL蓝绿色浑浊和大量气泡，剧烈反应，气泡带着沉淀物冲出试管立即产生大量气泡，沉淀溶解 综合定性和定量实验来看，碳酸氢钠量较多容易产生碳酸铜组分较多的碱式碳酸铜，而硫酸铜量较多易产生更多氢氧化铜组分较多的碱式碳酸铜。3 总结 各种离子在溶液中混合同时包含了多种过程，在水中溶解度也会与单一物质的溶解度不同，理论计算过程中只考虑了简单的情况，无法综合各种因素进行考虑。通过以上的理论分析和实验结果，硫酸铜与碳酸氢钠的反应生成不同成分的碱式碳酸铜，具体组成因两种溶液的浓度不同而发生变化，碳酸氢钠量较多容易产生碳酸铜组分较多的碱式碳酸铜，而硫酸铜量较多易产生更多氢氧化铜组分较多的碱式碳酸铜