对铝和氯化铜反应的异常现象解释的补充与商榷

　　摘要：对铝和氯化铜溶液反应的异常现象解释作了某些补充和更正。通过实验探究和理论分析发现：因受Al3+和Cu（OH）2反应以及Cu2+被Al置换反应的共同影响，铝和氯化铜溶液反应过程中不会出现蓝色沉淀。因为生成的Cu与Al会在体系中形成原电池，使Al能持续反应，所以固体表面会不断产生气泡。由于Al和CuCl2反应生成CuCl的趋势更大，反应更易发生，所以CuCl主要来自Al和CuCl2的反应。
　　关键词：铝与氯化铜；异常现象；实验探究；教学研讨
　　文章编号：1005–6629（2016）12–0090–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
　　铝片与CuSO4溶液反应，虽然用砂纸擦去了铝片表面氧化膜，但两者的反应速率仍然不太理想，于是笔者改用CuCl2溶液，因为Cl-可穿过氧化膜，取代膜中的氧原子，使具有保护作用的氧化膜成为可溶性氯化物，从而活化金属表面，促进反应进行[1]。但在实验时发现Al与CuCl2溶液的反应现象很出人意料，而且溶液浓度不同，现象也不同。通过检索发现，已有多位老师就这个实验的反应现象进行了深入研究。仔细比对已有文献和反应现象，发现有些现象被忽视了，而对有些现象的解释并不科学。于是结合文献和实验观察，对部分现象进行补充解释，并对某些错误解释提出商榷，以期对Al与CuCl2溶液的反应形成更真实、更全面的认识。本文涉及实验均在21℃下进行。
　　1 实验现象概述
　　向烧杯中加入20mL 0.5 mol·L-1 CuCl2浓溶液，加入铝片（未除去氧化膜），可看到：铝片表面析出少量紫红色固体，产生无色无味气体；溶液由绿色变成深褐色；反应变得很剧烈呈沸腾状，烧杯外壁发烫；溶液中出现白色沉淀；如加Al至过量，白色固体最终完全变成紫红色固体，反应结束后得到无色溶液。
　　如果用0.1 mol·L-1 CuCl2稀溶液，则反应现象为：铝片表面析出疏松的紫红色固体，产生无色无味气体；烧杯发热；溶液最终变为无色；如果Al过量，则固体中持续有少量气体产生。
　　2 对实验异常现象的已有研究与解释
　　范艳花等[2]在“铝与氯化铜溶液反应异常现象的探究”（以下简称文1）一文中，对异常现象进行了系统分析，证实：无色无味气体是H2；白色固体是CuCl；深褐色是[CuCl2]-（褐色）与CuCl2（绿色）的混合色；紫红色固体是Cu。
　　袁鸿志[3]用缠有铜丝的铝片与CuCl2溶液反应，证实是原电池效应造成析出的铜结构疏松。因为H+也在铜丝表面得到电子生成H2，使析出的铜无法形成致密结构。
　　朱华英[4]在“Al与CuSO4溶液和CuCl2溶液反应有何不同”（以下简称文2）一文中，通过稀释实验证明溶液呈深褐色是因为存在[CuCl2]-、[CuCl3]2-、[CuCl4]3-等配合离子：用大量水稀释溶液，上述配合离子解离，析出白色沉淀。
　　3 对异常现象的补充解释与商榷
　　3.1 为什么没有蓝色的Cu（OH）2沉淀
　　但是，在实验各环节中并没有看到蓝色沉淀（CuCl2没有，CuSO4也没有），文1、文2也未提及有蓝色沉淀现象。为什么不出现蓝色沉淀？经分析，至少存在以下三种可能的原因。
　　实验1 取少量蓝色沉淀，加5mL蒸馏水，加铝片（未除氧化膜），无明显现象。再加入1滴管0.5 mol·L-1 CuCl2溶液，观察现象。
　　实验2 取少量蓝色沉淀，加5mL蒸馏水，加热使固体完全变黑，加铝片（未除氧化膜），无明显现象。再加入1滴管0.5 mol·L-1 CuCl2溶液，观察现象。
　　实验3 取少量蓝色沉淀，加5mL蒸馏水，再加少量AlCl3固体，振荡，固体立即溶解，溶液呈浅绿色且无浑浊。
　　实验1、实验2中加入CuCl2溶液是为了让反应体系更接近Al与CuCl2溶液的反应。结果看到：铝片表面缓慢产生气泡，10min后固体变成紫红色，最终溶液无色。实验3也证实了原因三是成立的。
　　4 小结与疑问
　　Al和CuCl2溶液反应是多个反应同时进行的复杂体系，既有相互竞争，又有相互促进；既有一步到位，又有分步进行。CuCl2溶液浓度不同，不仅反应剧烈程度有差异，各个反应进行程度也有差异。我们可用图1来归纳Al与CuCl2溶液的反应。
　　Al与CuCl2浓溶液反应，以①②区的变化为主，③区变化为副。Al与CuCl2稀溶液反应，以①③区变化为主，②区变化为副。至于Cu+CuCl2、Cu（OH）2+Al、CuO+H2O+Al的变化，可能存在，但程度很弱。所以，如果要用CuCl2代替CuSO4，应选用CuCl2稀溶液，以避免异常现象冲击课堂教学。
　　笔者发现实验4还有其他用途：可用CuCl2代替Hg（NO3）2，实现铝和水在常温下反应。析出的Cu和Hg都可阻止铝片表面形成氧化膜，都可利用原电池效应加快铝和水的反应，但用CuCl2溶液替代，可避免使用毒性較大的汞盐，使实验更绿色化。
　　对于Al与CuCl2溶液的反应，还有一点疑惑：根据H2的现象，可知生成了不少Al（OH）3，可奇怪的是并没有看到白色沉淀（将该试管放置一个星期也未见到）。在实验1～3中，根据原理分析应生成Al（OH）3，为什么也看不见沉淀？笔者推测Al（OH）3可能是以胶体的形式分散到了水中，便采用了丁达尔效应进行验证，结果成功地看到了光亮的通路。但是，因为Al3+也能通过水解形成Al（OH）3胶体，使丁达尔效应这一证明方式失去了惟一性，显得说服力不足。我们有理由质疑：生成的Al（OH）3真的形成胶体了吗？有没有可能生成其他某种可溶性的含铝化合物？虽经多方努力，笔者仍未能找到确切、可靠的实验方法，有待继续思考和探究。
　　参考文献：
　　[1]王程杰.关注氯离子效应在实验中的应用[J].化学教学，2015，（12）：53～56.
　　[2]范艳花，赵俊伟，孙丹儿.铝与氯化铜溶液反应异常现象的探究[J].化学教学，2010，（2）：9～11.
　　[3]袁鸿志. Al和CuCl2溶液反应机理的实验探究[J].化学教育，2008，（4）：71.
　　[4]朱华英. Al与CuSO4溶液和CuCl2溶液反应有何不同[J].中学化学教学参考，2011，（7）：46.
　　[5]唐敏.镁和氯化铁反应的实验和讨论[J].化学教学，2009，（12）：9～10.
　　[6][7][9][10]武汉大学、吉林大学等校编.无机化学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1994：505～507，883，663，441.
　　[8]杨德壬.中学教学全书·化学卷[M].上海：上海教育出版社，1996：898～899.

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