鋁、鎂、銅粉與硝酸鈉溶液反應的實驗探究

董順??

摘要： NO-3在不同的條件下氧化性及還原產物不同，通過實驗探究了NO-3在不同的條件下與不同金屬單質的反應，發現NO-3的氧化性受溶液的酸堿性和反應溫度的影響。同時還發現鋁粉與NO-3在中性和堿性條件下均可發生反應產生氨氣，這應為鋁的特性，可用鋁的這一性質檢驗溶液中是否含有NO-3。

關鍵詞： 硝酸鈉溶液； 鋁粉： 鎂粉； 銅粉； 實驗探究

文章編號： 10056629（2018）8007304 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 由一道模擬試題說起

題目 （北京市朝陽區2018屆高三一模理綜第12題）某同學進行如下實驗（溶液的濃度均為1mol/L）。

下列對實驗現象的解釋或推測不合理的是

A ①中： 2Al+2OH-+2H2O2AlO-2+3H2↑

B 根據上述實驗判斷，NaNO3的氧化性強于水

C ②中： Al+3NO-3+6H+Al3++3NO2↑+3H2O

D ③中使濕潤pH試紙變藍的氣體是NH3

解析： ②中應為Al在酸性條件下與NO-3反應生成NO，NO與空氣中的O2反應生成NO2，故C選項解釋不合理。

答案： 選C。

由以上試題可以看出，鋁粉與NO-3在中性和酸性條件下均可反應，且NO-3的還原產物分別為NH3和NO，那么在堿性條件下NO-3能否氧化鋁粉，在不同條件下鋁的氧化產物分別是什么？其他金屬單質與NaNO3溶液反應嗎？

2 理論分析

查閱了武漢大學、吉林大學等校編著的《無機化學》[1]，有以下標準電極電勢。

由以上電極半反應式知，當溶液酸性增強時，NO-3的氧化性增強。從化學熱力學的角度看，在中性條件下NO-3能氧化鋁粉，而本身被還原為NH3。

另外，在高溫條件下Pb粉可與NaNO3發生下列反應[2]：

3 實驗探究

3.1 實驗設計思路

受參考文獻[3， 4]啟示，設計如下實驗： 分別取等量鋁粉與NaNO3溶液在中性、酸性及堿性條件下反應，比較異同。同時，設計對照實驗用KNO3溶液代替NaNO3溶液重復上述實驗。對于其他金屬能否與NaNO3溶液反應，選擇比鋁性質活潑的鎂和比鋁性質穩定的銅以及與鋁性質相似的鋅分別在酸性、堿性及中性條件下與NaNO3溶液反應，比較異同。

3.2 實驗藥品

鋁粉（AR）、鎂粉（AR）、銅粉（AR）、鋅粉（AR）、37%濃鹽酸（AR）、NaNO3（AR）、KNO3（AR）、NaOH（AR）、FeSO4·7H2O（AR）、5%H2O2溶液、KSCN溶液

3.3 實驗用品

酒精燈、火柴、試管、試管夾、紅色石蕊試紙、廣泛pH試紙、淀粉KI試紙

3.4 實驗準備

（1） 用托盤天平稱量8.5g NaNO3固體于250mL燒杯中，加98mL蒸餾水，攪拌，溶解，得濃度約為1mol·L-1 NaNO3溶液，備用。

（2） 用托盤天平稱量10.1g KNO3固體于250mL燒杯中，加98mL蒸餾水，攪拌，溶解，得濃度約為1mol·L-1 KNO3溶液，備用。

（3） 用量筒量取98mL蒸餾水倒入盛有4.0g NaOH固體的燒杯中，攪拌，溶解，冷卻至室溫，得濃度約為1mol·L-1 NaOH溶液，備用。

（4） 用量筒量取8.4mL 37%濃鹽酸（濃度約為12mol·L-1）于250mL燒杯中，加入91.6mL蒸餾水，攪拌，混勻，得濃度約為1mol·L-1 HCl溶液[5]，備用。

3.5 實驗內容及現象

3.5.1 鋁粉與NO-3的反應

實驗1 取三支編號為①②③的小試管，各加入1藥匙（約2.5g）鋁粉，再向上述三支試管中分別加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，并向①號試管中滴加2滴1mol·L-1 NaOH溶液，向②號試管中滴加2滴1mol·L-1 HCl溶液，向③號試管中滴加2滴蒸餾水，三支試管中均看不到明顯的氣泡。分別加熱上述三支試管，①號試管和③號試管內立即產生劇烈反應，停止加熱，反應仍劇烈進行，產生大量刺激性氣味的氣體，用濕潤的紅色石蕊試紙靠近管口，試紙變藍，同時固體表面有白色物質生成。②號試管中仍看不到明顯的紅棕色氣體，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙變藍，靠近試管口，能聞到淡淡的NO2的刺激性氣味。

實驗2 取三支編號為④⑤⑥的小試管，分別加入1藥匙（約2.5g）鋁粉，向④號試管中加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液和1mL 1mol·L-1 NaOH溶液，向⑤號試管中加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，向⑥號試管中加入2mL 1mol·L-1 KNO3溶液。振蕩④號試管約3分鐘，劇烈反應，產生大量能使濕潤的紅色石蕊試紙變藍的刺激性氣味的氣體。振蕩⑤號試管，現象不明顯，將濕潤的紅色石蕊試紙置于管口，試紙不變藍。加熱⑥號試管，立即劇烈反應并產生大量能使濕潤的紅色石蕊試紙變藍的刺激性氣味的氣體。

實驗3 分別?、偬栐嚬芎廷厶栐嚬軆鹊纳蠈忧逡?，滴加1mol·L-1 HCl溶液，產生大量白色膠狀沉淀，繼續滴加1mol·L-1 HCl溶液，沉淀溶解。

實驗4 向試管中加入半小匙（約0.5g）鋁粉，然后再加入4mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，加熱，反應開始后停止加熱，反應停止。將濕潤的紅色石蕊試紙置于管口，試紙不變藍，將濕潤的pH試紙置于管口，試紙變藍。繼續加熱，反應繼續進行。

實驗5 向試管中加入1藥匙（約2.5g）鋁粉，滴加10滴1mol·L-1 NaNO3溶液，4mL蒸餾水和10滴1mol·L-1 NaOH溶液，振蕩，加熱，劇烈反應產生能使濕潤的紅色石蕊試紙變藍的刺激性氣味的氣體。

實驗6 向試管中加入1藥匙（約2.5g）鋁粉和1藥匙（約2g）NaNO3固體，加2mL蒸餾水，振蕩，加熱，靜置5分鐘，劇烈反應產生大量能使濕潤的紅色石蕊試紙變藍的刺激性氣味的氣體。

實驗7 向試管中加入1藥匙（約2.5g）鋁粉和1藥匙（約2g）NaNO3固體，加2mL 1mol·L-1 NaOH溶液，振蕩，試管變熱，劇烈反應，產生大量氣體，將濕潤的紅色石蕊試紙置于管口，試紙變藍。

3.5.2 鎂粉與NO-3的反應

實驗8 取三支編號為⑦⑧⑨的小試管，各加入1藥匙（約1g）鎂粉，再向上述三支試管中分別加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，并向⑦號試管中滴加1mL 1mol·L-1 NaOH溶液，向⑧號試管中滴加2滴1mol·L-1 HCl溶液，向⑨號試管中滴加2滴蒸餾水，振蕩，⑧號試管中有明顯的無色無味的氣泡產生。分別加熱⑦號和⑨號試管，看不到明顯現象，用濕潤的紅色石蕊試紙靠近管口，無變化，將濕潤的pH試紙置于管口，無變化。

實驗9 向小試管中加入1藥匙（約1g）鎂粉，再滴入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液和1mL 1mol·L-1 HCl溶液，振蕩，立即產生大量的無色氣泡，用拇指堵住管口片刻，靠近酒精燈火焰，移開拇指，發出尖銳的爆鳴聲。將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙變藍，能聞到NO2的刺激性氣味。

3.5.3 銅粉與NO-3的反應

實驗10 向兩支試管中各加入1平匙（約2g）銅粉和2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，并分別加入1mL 1mol·L-1 NaOH溶液和1mL 1mol·L-1 HCl溶液，振蕩，看不到明顯現象，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙不變色。加熱兩支試管至沸騰，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，滴有HCl溶液的試管口附近的淀粉KI試紙變藍。

實驗11 向試管中加入1平匙（約2g）銅粉和1平匙（約1g）NaNO3固體，再加入2mL 1mol·L-1 HCl溶液，振蕩，看不到明顯現象，加熱至沸騰，劇烈反應，產生大量紅棕色氣體，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙變藍，溶液呈藍綠色。

實驗12 向試管中加入1平匙（約2g）銅粉和2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，再加入2mL 37%濃鹽酸，振蕩，加熱至沸騰，劇烈反應，產生大量紅棕色氣體，將濕潤的淀粉KI試紙靠近管口，試紙變藍，溶液呈藍綠色。

3.5.4 FeSO4與NO-3的反應

實驗13 取1藥匙（約2g）FeSO4·7H2O晶體于試管中，加蒸餾水溶解，再加入適量還原鐵粉，充分振蕩，靜置，取上層清液，滴加KSCN溶液，溶液不變紅，將上述溶液分成四等份，每份約0.5mL。一份滴加0.5mL 5%H2O2溶液，溶液立即變為血紅色。一份滴加1mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，溶液顏色無變化，加熱至沸，溶液顏色仍無變化。一份滴加1mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，溶液顏色無變化，再滴加1mL 1mol·L-1 HCl溶液，振蕩，溶液呈淡淡的紅色，加熱，溶液紅色略加深。一份滴加1mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，溶液顏色無變化，再滴加0.5mL 37%的濃鹽酸，振蕩，溶液變紅，加熱，溶液紅色加深。

3.5.5 鋅粉與NO-3的反應

實驗14 取兩支小試管，各加入1藥匙（約2.5g）鋅粉，再分別加入2mL 1mol·L-1 NaNO3溶液，一支試管滴加1mL 1mol·L-1 NaOH溶液，振蕩，兩支試管中均無明顯現象，加熱至沸，仍無明顯現象，將濕潤的紅色石蕊試紙置于管口，試紙不變藍，將濕潤的pH試紙置于管口，試紙不變藍。

4 結果與討論

4.1 鋁粉與NO-3的反應

鋁粉在酸性條件下與NaNO3稀溶液的反應主要是發生NO-3被還原為NO的反應，而且常溫下反應較慢。

鋁粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液的反應為放熱反應，當鋁粉量較多時，加熱引發反應后由于反應放出的熱量足以維持反應繼續進行，所以能快速反應。在中性條件下，當鋁粉量較少時，由于放出的熱量較少，停止加熱，反應接近停止。

堿性條件下，由于堿溶液能除去鋁粉表面的氧化膜，同時鋁與堿溶液反應放熱，該反應更容易發生。

由實驗1～實驗3可知，在中性及堿性條件下，Al與NO-3反應的化學方程式可能為：

由實驗5～實驗7可知，能用鋁粉在堿性和加熱條件下檢驗溶液中是否存在NO-3，若存在則能產生使濕潤的紅色石蕊試紙變藍的氣體。

4.2 鎂粉與NO-3的反應

鎂雖然活潑性比鋁強，但鎂粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液不反應。在酸性條件下，溶液中同時存在Mg+2H+Mg2++H2↑與3Mg+8H++2NO -33Mg2++2NO↑+4H2O的競爭反應。

4.3 銅粉與NO-3的反應

銅粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液均不反應。在酸性條件下，反應受溫度、c（NO-3）和c（H+）的影響，若用該方法檢驗溶液中的NO-3，應加入濃酸并加熱，檢驗結果方可靠。

4.4 FeSO4與NO-3的反應

由實驗13得知，在中性條件下，NO-3與Fe2+在溶液中可以大量共存，在酸性條件下NO-3可將Fe2+氧化為Fe3+，而且，酸性越強、溫度越高，反應速率越快。

4.5 鋅粉與NO-3的反應

鋅雖然和鋁的性質有相似的地方，但鋅粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液不反應。

由以上討論可知，比鋁性質活潑的鎂、比鋁性質穩定的銅以及和鋁性質相似的鋅均不能在中性及堿性條件下與NaNO3溶液反應。因此，鋁粉在中性及堿性條件下與NaNO3溶液的反應，可認為是鋁的特性。

參考文獻：

[1][2]武漢大學，吉林大學編.無機化學（第三版）[M].北京： 高等教育出版社，1994： 662； 663； 666.

[3]董順.乙醇使溴水褪色的實驗探究[J].化學教學，2014，（10）： 55～56.

[4]董順，胡長庚.FeCl3與FeSO4混合溶液中Fe2+檢驗方法的實驗探究[J].化學教學， 2017，（3）： 79～81.

[5]方賓，王倫.化學實驗（上冊）[M].北京： 高等教育出版社， 2003： 181.