5利用滤纸做实验

利用滤纸做实验

摘要:利用滤纸高温灼烧后碳化的性质，将浸有硫酸铜溶液和氯化铁溶液的滤纸在煤气灯上灼烧至红热，进行木炭还原氧化铜和氧化铁的反应，并对反应产物的鉴别进行探究。

关键词：滤纸 碳化 还原 氧化铜 氧化铁 产物

在化学实验教学中，元素及其化合物的性质实验多采用试管实验。试管实验有其优势，如反应体积大操作方便、便于观察、可以加热、可离心分离、可分步操作、可平行操作等等，因而，元素及其化合物性质的试管实验仍是目前化学实验教学中的主要方式，且对有些实验项目而言，试管实验还可能是唯一的方式。但是，试管实验也有其不足，其最大的不足是试剂用量大。试剂用量大导致实验成本高，更重要的是排放的“三废”也多，增加了环境的负担，不利于环境保护、不符合节能减排。因而有必要对目前的试管实验进行认真分析，对可以改进、改善的实验项目进行探讨与研究。以滤纸为载体，在滤纸上进行的化学实验可较大程度减少试剂用量，且无废水排放等环境问题，是绿色化学的典范，值得研究、提倡与推广。本实验利用滤纸进行炭还原氧化铜和氧化铁的实验。

[1]

一、实验目的

1.熟悉滤纸的成分及性质。

2.掌握滤纸碳化产物还原氧化铁的实验操作以及产物的检验办法。 3.探究滤纸碳化产物还原氧化铜的实验操作以及产物的判别和鉴定方法。 4.感受创新实验在中学化学教学中的作用。

二、实验原理

大部份滤纸由棉质纤维组成，棉纤维的主要成份是纤维素，纤维素是天然高分子化合物，其元素组成为:C 44.44%、H 6.17%、O 49.39%。由于其含碳量高，在高温碳化后生成黑色木炭，可据此将碳化产物用于还原氧化铜和氧化铁。 无水硫酸铜高温分解：无水硫酸铜加热到923K时，分解成CuO[2]：

或者

木炭还原氧化铜

氯化铁溶液蒸干时水解得Fe(OH)3，Fe(OH)3高温灼烧分解为Fe2O3。 木炭还原氧化铁

三、实验仪器与试剂

铁架台2个、铁夹2个、铁圈2个、煤气灯2个、石棉网1块、试管1试管架、带导管的橡皮塞、烧杯、玻璃棒、镊子、坩埚钳、蒸发皿、一次性吸管、火柴

六水合三氯化铁晶体、五水合硫酸铜晶体、浓盐酸、浓硝酸、蒸馏水

四、实验步骤及现象

表1.滤纸还原氧化铜实验

实验步骤 1 配置CuSO4饱和溶液:取适量五水合硫酸铜晶体，加入到放有蒸馏水的烧杯中，边加热边搅拌使溶解，配成蓝色饱和硫酸铜溶液。

实验现象 蓝色硫酸铜晶体溶于水的蓝色饱和硫酸铜溶； 解释

2 将滤纸两次对折，取其四分之一的扇形滤纸放入上述CuSO4饱和溶液中浸泡，浸泡充分后用镊子夹着滤纸取出至于煤气灯外焰灼烧，待整张滤纸全部烧成红热状后放置在蒸发皿中冷却。 滤纸浸泡后呈蓝绿色； 在煤气灯上灼烧时发出绿色火焰，蓝绿色滤纸绿色火焰是铜离子的焰色； 白色是因为硫酸铜晶体脱水变为白色无水硫酸铜； 黑色是因为滤纸高温灼烧后先烧成白色，再烧成黑色，被碳化成黑色木炭以及硫酸铜高最后黑色滤纸全部烧至红热，冷却后滤纸变红褐色； 温分解产生的黑色氧化铜； 红色是因为黑色木炭将硫酸铜高温分解产生的黑色氧化铜还原为红色的铜单质； 3 取适量上述灼烧后的产物灼烧产物中加入稀盐灼烧产物不溶于稀盐酸和稀硝酸，溶于浓硝酸生成二氧化氮气体和硝酸铜溶液： Cu+4NHO3(浓)= Cu（NO3）2+2NO2↑+2H2O 于试管中，依次加入稀盐酸、酸后，不溶解； 稀硝酸、浓硝酸，检验反应产物。 加入稀硝酸后，不溶解； 加入浓硝酸后溶解并产生大量红棕色气体，溶液呈深绿色；

表2.滤纸还原氧化铁实验

实验步骤 1 配置FeCl3饱和溶液：取适量六水合三氯化铁晶体，加入到放有煮沸的蒸馏水的烧杯中，保持溶液微沸状态，搅拌使溶解，配成棕褐色饱和氯化铁溶液。 2 将滤纸两次对折，取其四分之一的扇形滤纸放入上述饱和FeCl3溶液中浸泡，浸泡充分后用镊子夹着滤纸取出至于煤气灯外焰灼烧，待整张滤纸烧至红热后放置在蒸发皿中冷却，研磨，观察。 浸泡后滤纸呈棕黄色； 在煤气灯上灼烧后迅速变黑，烧至红热后取出冷却后滤纸是灰黑色，伴有红褐色部分； 研磨后是红褐色颗粒； 变黑是因为滤纸碳化； 变灰黑色是因为氯化铁溶液灼烧产生的氧化铁被炭还原为黑色的铁，或者产生的四氧化三铁等，伴有红褐色是因为有氧化铁存在； 现象 棕黄色氯化铁晶体溶于热水中得棕褐色饱和氯化铁溶液。 解释

3 取适量灼烧产物于试管中，用磁铁沿着试管壁上下移动。向上述试管中滴加适量稀盐酸，观察。 有少量黑色粉末跟着磁铁移动； 加入稀盐酸后有少量气泡产生，静置后溶液呈浅绿色。 黑色颗粒被磁铁吸引说明有铁单质或者四氧化三铁存在； 铁与稀盐酸反应生成氢气，四氧化三铁与稀盐酸不能生成氢气，说明有铁单质存在；

五、实验结果和讨论

1.如何证明利用滤纸还原氧化铜的实验中得到了铜单质。

我们将浸有硫酸铜溶液的滤纸灼烧后的红褐色滤纸灰烬取适量放入试管中，加入稀盐酸，无明显现象，三次实验都是如此；加入稀硝酸，亦无明显现象；但加入浓硝酸时，都产生了红棕色气体，且所得溶液静置后呈深绿色。由产物遇浓硝酸反应产生红棕色气体及深绿色溶液，我们推断产物中有铜单质。但产物遇稀硝酸竟然无明显现象，而且三次实验都是如此，说明产物中未必有铜单质。资料表明产物中可能有鲜红色的氧化亚铜存在，氧化亚铜溶于酸能生成铜单质和二价铜盐溶液。所以我们向滤纸产物中先滴加稀盐酸后滴加稀硝酸去验证铜单质的存在是不合理的，我们在实验中尝试直接向红褐色灰烬中加稀硝酸和稀盐酸，仍然是加稀硝酸不溶解无红棕色气体，加浓硝酸溶解且有红棕色气体，反应后静置得深绿色溶液。理论上，若产物中有铜单质存在，则它和稀硝酸和浓硝酸都能发生反应，且因为和稀硝酸反应产生的一氧化氮气体能迅速和空气中的氧气反应产生二氧化氮气体，故反应现象应该都有红棕色气体，反应后溶液都呈绿色。但我们实验结果表明灼烧产物只和浓硝酸反应，不和稀硝酸反应。有同学认为这是因为产物中可能有氧化铜存在，我们所加稀硝酸因为被稀释了，量太少，被氧化铜反应完了，故没有和铜反应。

经反思：灼烧产物中可能有铜单质、氧化亚铜、氧化铜三种物质存在。要证明产物的成分，可设计如下实验：

向灼烧产物中加过量稀盐酸，理论上静置后溶液呈蓝色或绿色，据此说明有氧化铜或者氧化亚铜存在，仅凭此无法区分氧化铜和氧化亚铜，此时剩余的固体全部为铜单质，因为氧化铜和氧化亚铜都溶于过量稀盐酸；向产物中加入过量稀硝酸，若产生红棕色气体，说明有铜单质存在，但因为铜单质可能为前述氧化亚铜与稀盐酸反应所产生，故据此只能推灼烧断产物中有铜单质或氧化亚铜。结合

加稀盐酸后的现象，可推断产物中只有氧化亚铜、或者同时有氧化亚铜和氧化铜、或者同时有氧化亚铜和单质铜、或者同时有单质铜和氧化铜、或者三者同时存在，共五种可能，无法判断是否一定有铜单质存在。有人认为可以根据观察加稀盐酸后是否有氧化亚铜溶解生成单质铜的现象出现来判断是否有氧化亚铜，但这个现象究竟能否观察出来，有待考证。

若灼烧产物加入适量稀盐酸静置后溶液仍呈无色，固体不溶解，说明灼烧产物中无氧化亚铜和氧化铜，只有铜单质。向上述滴加稀盐酸后无绿色出现的试管中滴加适量稀硝酸，若固体溶解，溶液呈绿色，有红棕色气体产生，说明产物的确有铜单质，而且只有铜单质。

综上所述，滴加稀盐酸后，若灼烧产物不溶解，反应液静置不呈绿色，继续加稀硝酸有明显现象，可以判断产物中有且仅有铜单质，无氧化亚铜和氧化铜；若灼烧产物溶解且反应液呈绿色，则仅用稀硝酸无法判断是否有铜单质，须采用定量法精确判断是否有铜单质。

2.硫酸铜溶液和三氯化铁的溶液浓度与实验的现象有何关系？

资料表明：在还原氧化铁实验中，三氯化铁溶液的浓度对实验现象有明显影响，浓度高的，实验现象明显。硫酸铜溶液的浓度对实验的进行并没有太大的影响。

因为三氯化铁溶液的浓度对实验现象有明显的影响，所以在配置时要尽可能让溶液浓度高，因为随着温度的升高，三氯化铁的溶解度增大，所以采用加热溶液的办法，多溶解一些三氯化铁。配制浓度较高的溶液。因为硫酸铜溶液的浓度对实验现象没有很大程度的影响，所以在配制时没有严格要求，只需要进行适度加热，然后溶解一定量的硫酸铜晶体即可。

3.采用加热的方法，会产生氢氧化铁胶体，这对本实验有影响吗？ 三氯化铁先在加热条件下水解成Fe（OH）3胶体，Fe（OH）3铁胶体在空气中灼烧，发生反应： 2Fe(OH)3

Fe2O3 + 3H2O 。根据此过程，能够产生

所需要的氧化铁物质。本次实验是想验证滤纸燃烧的产物能够将铁的氧化物进行还原。所以无论是用氯化铁溶液，还是用氢氧化铁胶体，都能够使反应继续进行。

4.灼烧滤纸时，为什么要采用卷曲的方式？如果直接将平铺的滤纸进行灼烧，实验效果有何影响？

本次实验的关键是，在加热时，与空气接触，如果生成了单质铜，高温暴露于空气当中，很容易与氧气反应，生成铜的氧化物。由于铜的其中一种氧化物氧化亚铜颜色也为红色，无法清楚将其和单质铜用普通方法分开。严重影响实验结果，所以为了证明反应中有Cu生成，要尽量隔绝氧气，防止铜继续与氧气发生反应，将滤纸卷曲能在一定程度上减少生成物与空气中的氧气的接触，减少发生产物被氧化的几率。

六、滤纸实验的特点

( 1) 试剂用量少，实验成本低。

( 2) 滤纸实验无需洗涤，操作简便、方便，且实验在滤纸上进行便于观察。 ( 3) 滤纸的吸水作用及火的烘烤作用实际上可起到对试样的浓缩作用，从而可提高化学反应的灵敏度。由于灵敏度的提高，滤纸实验项目在减量化的同时还可以采用低浓度化进一步减少试剂用量。

( 4) 滤纸实验无废水排放。而实验所产生的含化学物质的滤纸量少且为固体废弃物，处理方便，有利于环境保护。

( 5) 滤纸实验除了可替代部分试管实验外还可以进行一些其他实验改进。如进行原电池实验、钠和水反应的实验、气体分子运动实验等。滤纸实验虽有上述优点，但并不是所有的试管实验都可改成滤纸实验，滤纸实验主要适应实验现象变化较明显的性质实验。另外，试管实验所具有的许多优点滤纸实验却无法具有。

综上所述，滤纸实验具有试剂用量少，实验成本低，操作简便、方便，无废水排放，有利于环保等特点，是绿色化学的典范，值得研究、提倡与推广。[3]

参考文献

[1]．王红云，钟四姣滤.纸上化学实验的研究[J]. 化学教育，2008 （8）：60 [2]．北京师范大学等编.无机化学(下册) [M].3版.北京:高等教育出版社，2003:709 [3]．王红云，钟四姣滤.纸上化学实验的研究[J]. 化学教育，2008 （8）：63

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