銅與濃硫酸反應(yīng)實驗的探究

羅金虹++劉茜

【摘要】對高中化學(xué)人教版教材《化學(xué)1（必修）》中“銅與濃硫酸反應(yīng)”實驗的裝置進行了改進，改進后可同時檢驗SO2的漂白性、還原性和酸性，增加了簡易尾氣吸收裝置。分析了實驗過程中上層溶液呈綠色的原因并進行實驗驗證。結(jié)果表明，棕黃色的熱濃硫酸與藍(lán)色水合銅離子混合導(dǎo)致上層溶液呈綠色。

【關(guān)鍵詞】銅；濃硫酸；實驗改進；綠色溶液

【中圖分類號】G633.8 【文獻標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）02-0276-02

Cu與濃H2SO4反應(yīng)實驗是高中化學(xué)教材中經(jīng)典的實驗之一，旨在讓學(xué)生理解濃硫酸的強氧化性及SO2的檢驗方法[1]。按照高中化學(xué)人教版教材《化學(xué)1（必修）》第101頁圖4-32操作，實驗過程中會遇到以下情況：在橡膠塞上直接抽拉銅絲不易操作，抽動銅絲時可能會使橡膠塞與銅絲的接觸處漏氣；該裝置可以驗證二氧化硫的漂白性，但不能體現(xiàn)SO2的其它性質(zhì)，如酸性和還原性；沒有尾氣吸收裝置；可能發(fā)生倒吸現(xiàn)象，給實驗帶來安全隱患[2]。針對以上不足，我們從綠色環(huán)保、裝置簡約安全等角度對該實驗進行了改進，并對實驗條件及實驗現(xiàn)象進行了討論。

一、實驗改進

1.實驗藥品與儀器

藥品：98%濃硫酸溶液、高錳酸鉀溶液、紫色石蕊溶液、堿性品紅溶液、20%氫氧化鈉溶液。

儀器：鐵架臺、具支試管、量筒、繞成螺旋狀的銅絲、單孔橡膠塞、T形管、橡膠帽、雙聯(lián)打氣球、長直玻管、氣球、棉花、試紙、橡膠管、止水夾。

2.實驗過程

實驗裝置如圖1所示。將銅絲灼燒至綠色火焰消失后，用砂紙反復(fù)打磨，再將其穿過與T形管連接好的膠帽。使用膠帽既避免了裝置漏氣又方便了抽拉銅絲。在長直玻璃管中從左向右依次放入潤濕的品紅試紙、紫色石蕊試紙、高錳酸鉀試紙，三個試紙分別檢驗SO2的漂白性、酸性和還原性。如圖1連接好實驗裝置，檢查裝置的氣密性。用量筒量取一定體積的98%的濃硫酸溶液倒入具支試管中，塞好橡膠塞。將用20%的氫氧化鈉溶液浸濕的棉花放入裝置尾部的氣球中，其作用是除去反應(yīng)中剩余的SO2氣體。

實驗開始前，銅絲先遠(yuǎn)離濃硫酸液面，待濃硫酸加熱一定時間后，將銅絲放入硫酸溶液中，此時觀察到溶液中有大量氣泡產(chǎn)生，伴隨產(chǎn)生少量黑色沉淀。隨著實驗的進行，黑色沉淀部分消失，上層溶液呈綠色，下層有灰白色固體析出。記錄下玻璃管中全部試紙完全變色的時間，迅速將銅絲抽離液面，移開酒精燈。打開止水夾，用雙聯(lián)打氣球向整個裝置緩緩鼓氣，排盡裝置中殘余的氣體。用酒精燈預(yù)熱的方式對反應(yīng)后的品紅試紙進行加熱，發(fā)現(xiàn)試紙由白色變?yōu)榧t色。

由此可見，該裝置簡約一體化。裝置中銅絲抽拉方便，依次放置的三個試紙將SO2 的檢驗與性質(zhì)清晰地展現(xiàn)，雙聯(lián)打氣球與尾部蘸有NaOH溶液的棉花聯(lián)用對實驗進行了尾氣處理，達到了環(huán)保目的[3]。

二、探究實驗過程中溶液上層呈綠色原因

1.提出猜想

在銅與濃硫酸反應(yīng)的實驗過程中，觀察到上層溶液顏色呈綠色。對這一現(xiàn)象，文獻中有多種解釋。如翟菊紅等認(rèn)為：“反應(yīng)過程中Cu片上的Cu2S、CuS（黑色）掉落，與淡黃色固體S、少量藍(lán)色CuSO4水合物混合，將調(diào)合成黑綠色濁液”[4]。夏立先等認(rèn)為：“銅表面沾附氯元素（聚氯乙烯）、反應(yīng)儀器和藥品沾附無機含氯化合物都可能導(dǎo)致溶液呈綠色”[5]。

實驗前，我們將銅絲灼燒至綠色火焰消失，以消除氯元素的干擾，再用砂紙將銅絲打磨干凈。但在實驗的過程中，我們發(fā)現(xiàn)上層溶液仍然呈綠色。是什么原因?qū)е铝诉@一現(xiàn)象的發(fā)生呢？反應(yīng)后的上層溶液中含有銅離子和濃硫酸，溫度較高時，水合硫酸分子離解，產(chǎn)生一定數(shù)量的自由水分子（H2SO4（aq）+nH2O（l） H2SO4·nH2O（aq）；△H < 0）。這些自由水分子與Cu2+絡(luò)合形成藍(lán)色絡(luò)合物：Cu2+（無色）+4H2O [Cu（H2O）4]2+（藍(lán)色）。我們猜想溶液呈綠色可能是藍(lán)色與其它顏色的混合色。我們將98%濃硫酸加熱后，發(fā)現(xiàn)其顏色為棕黃色。而藍(lán)色與黃色混合色恰好是綠色。因此我們認(rèn)為，上層溶液的顏色與濃硫酸及其中含有的Cu2+有關(guān)。

2.實驗驗證

（1）將五水硫酸銅與濃硫酸混合加熱，觀察到其上層溶液顏色呈綠色。將五水硫酸銅換成無水硫酸銅重復(fù)上述實驗，觀察到上層溶液顏色仍然呈綠色。硫酸銅與濃硫酸不反應(yīng)，該實驗說明，上層清液顏色變化由濃硫酸和硫酸銅混合所致。

（2）用氫氧化鈉溶液滴定銅與濃硫酸反應(yīng)的上層清液，到達終點后溶液變?yōu)樗{(lán)色。

（3）取相同體積的飽和硫酸銅溶液于兩個錐形瓶中。在第二個錐形瓶中加入濃硫酸，加熱，溶液由藍(lán)色變?yōu)榫G色。再用氫氧化鈉溶液滴定至恰好有藍(lán)色沉淀出現(xiàn)而不消失，此時，溶液又呈藍(lán)色。向第一個錐形瓶中加蒸餾水至與第二個錐形瓶中溶液體積相等，觀察到它們的顏色相同。該實驗說明，濃硫酸在上層溶液的變色中有重要作用。

（4）驗證棕黃色溶液與藍(lán)色溶液混合得到綠色溶液。

實驗1：取1號實驗上層清液1mL，再加入5～6mL蒸餾水混合振蕩均勻。

實驗2：取0.5g五水硫酸銅加入2mL濃硫酸加熱后取上層清液1mL。

實驗3：將0.1g重鉻酸銨溶于300mL水中配成棕黃色溶液。取1 mL飽和硫酸銅溶液與15mL重鉻酸銨溶液混合振蕩均勻。

實驗4：取0.2g的六水三氯化鐵溶于40mL水中配成溶液呈黃色，取5滴飽和硫酸銅溶液與10 mL三氯化鐵溶液混合振蕩均勻。

實驗5：將0.1g的干菊花茶加入300 mL水中加熱煮沸5～6分鐘，將水倒盡后繼續(xù)加入50 mL的冷水，溶液呈黃色。取2滴飽和硫酸銅溶液與5 mL茶水混合振蕩均勻。

以實驗1、2溶液的顏色為對象，將實驗3～5溶液的顏色分別進行對比，結(jié)果表明，實驗3～5溶液的顏色與1、2溶液的顏色相近。該實驗證明，黃色溶液與藍(lán)色溶液混合會得到綠色溶液，因此棕黃色濃硫酸溶液與藍(lán)色硫酸銅混合會得到綠色混合溶液。

三、結(jié)語

本次探究實驗對銅和濃硫酸反應(yīng)的實驗裝置進行了改進。改進后的裝置，可同時檢驗SO2的漂白性、還原性和酸性，且銅絲抽拉更方便更易控制，增加了尾氣吸收裝置，避免污染空氣。利用一系列顏色實驗證明，銅和濃硫酸反應(yīng)后的上層溶液呈綠色是因為棕黃色熱濃硫酸與藍(lán)色水合銅離子混合所導(dǎo)致。

參考文獻

[1]人民教育出版社化學(xué)室.全日制普通高級中學(xué)教科書（必修）化學(xué)[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]王春.基于綠色化學(xué)理念的高中新教材實驗改進[J].教學(xué)儀器與實驗，2010，（7）：22～23.

[3]周剛.“銅與濃硫酸反應(yīng)”演示實驗的改進與組合[J].中學(xué)化學(xué)，2015，（5）：31.

[4]翟菊紅.銅與濃硫酸反應(yīng)共熱現(xiàn)象及原因分析[J].化學(xué)教育，2009，（9）：70～71.

[5]夏立先，對銅與濃硫酸反應(yīng)溶液呈綠色的實驗探究[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（7）：64～65.

作者簡介：羅金虹，（1994，11-）女，西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川蒼溪人，在讀研究生，主要從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究，課程教育研究，劉茜，（1978，09-）男，西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川樂至人，大學(xué)本科，講師，主要從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究。課程教育研究。endprint