製備碘化亞銅與其一系列反應/施建輝

星期一 , 14, 四月 2014 Leave a comment

製備碘化亞銅與其一系列反應

施建輝

國立新竹科學園區實驗高級中學

教育部高中化學學科中心

schemistry0120@gmail.com

臺北市立第一女子高級中學周芳妃老師的「花裙子實驗」與本人兩年多前開發的「化學百寶箱」中的示範實驗,都涉及硫酸銅溶液與碘化鉀的反應。反應過程,顏色明顯變成紅棕色而且溶液變混濁;接著加入硫代硫酸鈉溶液後,紅棕色逐漸褪去,混濁顏色原預期呈白色(即碘化亞銅,CuI),但卻看到灰黑或灰白色,若不小心滴入過量硫代硫酸鈉溶液,溶液竟然變成無色澄清!過程中到底發生哪些反應?本人曾接獲多位老師的詢問,也已逐一回答,但想必仍有更多老師尚不知其所以然。這次藉著《臺灣化學教育》期刊的發行,於「高中化學教學疑難問題」專欄,將個人所知詳加敘述,供老師們參考。內容若有誤謬之處,也歡迎來信指正,使此一有趣的實驗能呈現真實面貌。

以下就是製備碘化亞銅的實驗步驟,並進行一系列的相關實驗。

n   1:如何製備碘化亞銅?

1.   準備一杯0.1 M 50 mL硫酸銅溶液,如圖1.1

2.   以刮勺取少量碘化鉀晶體加入硫酸銅溶液中,攪拌,反應結果如圖1.2所示,記錄與說明如下:

記錄:溶液由淺藍色變成紅棕色混濁。

說明:溶液呈紅棕色,推測生成I3。將硫酸銅溶液(註)倒入試劑瓶中,加入碘化鉀之後,再加入少許正己烷,搖盪,觀察有何現象發生。反應結果如圖1.3所示,左瓶為原有之硫酸銅溶液,中瓶為加入碘化鉀之後,溶液變色並呈混濁現象,右瓶為加入正己烷之後,搖盪、靜置,上層呈紫色,表示生成碘分子(I2)。這些反應如式[1][2]所示:

2I(aq) → I2(s) + 2e  [1]

I2(s) + I(aq)  I3(aq [2]

即碘離子(I)氧化形成碘分子(I2),I2再與I反應生成I3(紅棕色)。

註:此處硫酸銅溶液濃度為0.01 M,使顏色變化容易觀察。

氧化還原反應必定同時發生,在式[1]中所述為氧化反應,表示必有另一反應物進行還原反應,此處應該是由銅離子(Cu2+)扮演還原反應的角色,其可能反應有二,如式[3][4]所示:

Cu2+(aq) + 2e → Cu(s [3]

Cu2+(aq) + e → Cu+(aq)  [4]

燒杯中並未見到金屬銅的生成,故推測應該是進行反應[4],也就是由這個反應製備出亞銅離子(Cu+)。

反應[1]中的I與反應[4]生成的Cu+結合形成CuI沈澱,但因存在紅棕色的I3,故無法看出CuI沈澱的顏色,化學反應如式[5]所示:

Cu+(aq) + I(aq) → CuI(s)  [5]

 

圖1.1                                  圖1.2                                   圖1.3

n  2:氯化亞銅沈澱是什麼顏色?

1.   準備一瓶1 M的硫代硫酸鈉溶液,如圖2.1所示。

2.   以滴管吸取硫代硫酸鈉溶液,逐滴滴入問1之燒杯中,一邊滴一邊攪拌,記錄與說明如下。

記錄:紅棕色逐漸褪去,如圖2.2所示。

說明:硫代硫酸鈉與碘分子(I2)進行以下之氧化還原反應,如式[6]所示:

2S2O32−(aq) + I2(s) →

S4O62−(qq) + 2I(aq [6]

因為碘分子(I2)耗去,反應[2]向左進行,所以紅棕色逐漸褪去。

I2(s) + I(s)  I3(s [2]

若是沈澱呈灰白色或灰黑色,表示其中仍有碘晶體(黑色)存在,持續加入硫代硫酸鈉溶液,直到沉澱物呈白色,如圖2.3所示。

圖2.1                       圖2.2                                    圖2.3

n  3:若快速滴入硫代硫酸鈉溶液,則白色沈澱會消失。為什麼?

說明:在「溶解度積」的教學單元中,都會提及以下一段話:氯化銀沈澱能溶於濃氨水,而溴化銀與碘化銀沈澱不溶;溴化銀沈澱能溶於硫代硫酸鈉溶液,而碘化銀沈澱不溶;碘化銀沈澱能溶於氰化鈉溶液。

白色沈澱消失,如圖2.3所示,顯然生成可溶於水的物質,應該就是形成錯離子,其反應如式[7]所示:

CuI(s) + 2S2O32−(aq)  Cu(S2O3)2 3−(aq) + I(aq)  [7]

碘化銀沈澱不溶於硫代硫酸鈉溶液,為何亞銅離子(Cu+)能溶?銅與銀皆為11族(或1B族)元素,銅位於第四週期,銀位於第五週期,故銀離子與碘離子鍵結比銅離子與碘離子鍵結有較大的共價性,需更強的配基才能使碘化銀溶解,而碘化銅共價性較小,以硫代硫酸鈉作為配基即可溶解碘化銅。

n  教學上的應用

1.    於溶解度規則表之教學,可進行碘化亞銅沈澱的示範實驗。

2.    第一列過渡元素的電子組 態,常強調CrCu為符合d軌域半填滿或全填滿較穩定,所以Cr的價軌域電子組態為3d54s1而非3d44s2Cu的價軌域電子組態為3d104s1而非3d94s2,老師要求學生記下來。藉此示範實驗,可印證Cu的電子組態為何是3d104s1

說明:過渡元素的鹽類常有不同顏色,是因其d軌域尚未填滿,電子於d軌域躍遷時,會吸收或放出可見光。由於碘化亞銅為白色沈澱,顯示亞銅離子(Cu+)的3d軌域為全填滿狀態,亦即其價軌域電子組態為3d10,由此回推,原先Cu的電子組態為3d104s1,因此其沉澱物與鋅離子(Zn2+)相似,不吸收與放出可見光而呈白色。

3.    高中化學實驗室為何很少看到甚或看不到亞銅離子的相關鹽類?

說明:銅離子與亞銅離子的標準還原電位如式[8][9]所示

Cu2+(aq) + 2e → Cu(s)  E°= 0.34 V  [8]

Cu+(aq) + e → Cu(s)  E°= 0.52 V  [9]

由式[8][9]兩式得式[10]

2Cu+(aq) → Cu2+(aq) + Cu(s)   ΔE° = 0.18 V  [10]

ΔE° > 0,表示這是自發性反應,也就是在水溶液中,亞銅離子會進行自身氧化還原反應,故實驗室難以保存含亞銅離子的相關鹽類。在此特別說明,在氣態時,亞銅離子的安定性是大於銅離子。

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