濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

張紅衛(wèi)

摘要： 濃硫酸與銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是體現(xiàn)濃硫酸具有強(qiáng)氧化性的重要實(shí)驗(yàn)。針對現(xiàn)行三套教材中該實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)中若干改進(jìn)實(shí)驗(yàn)存在的不足提出新的改進(jìn)方案。用Y型管做反應(yīng)容器;用針筒注水、雙聯(lián)打氣球打氣來排盡裝置內(nèi)殘存的SO2，并用雙球漏斗內(nèi)堿液吸收。新的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)集成度高、操作簡便、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保。

關(guān)鍵詞： 濃硫酸與銅反應(yīng); Y型管; 雙聯(lián)打氣球; 雙球漏斗; 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

文章編號： 10056629（2020）01006703

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1教材中的實(shí)驗(yàn)概述

濃硫酸與銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是體現(xiàn)濃硫酸具有強(qiáng)氧化性的重要實(shí)驗(yàn)。我國現(xiàn)有3個版本的高中化學(xué)教材編排了該實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)。

1.1人教版教材

人教版

教材實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（夾持裝置已略去，下同）所示[1]。該實(shí)驗(yàn)方案操作簡便、現(xiàn)象明顯，但存在的不足之處是： 實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性和抽拉銅絲的靈活性不易兼顧，在多次使用后尤甚;缺少尾氣處理裝置，SO2外逸明顯;檢驗(yàn)產(chǎn)物CuSO4時，需拔掉橡皮塞，殘存在裝置內(nèi)的SO2直接擴(kuò)散到空氣中。

1.2上科版教材

上科版

教材實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示[2]。該實(shí)驗(yàn)方案雖有相同優(yōu)點(diǎn)，

但在實(shí)際操作中也有不足： 一般學(xué)校無抽氣設(shè)備，導(dǎo)致該方案難推廣;橡皮管的存在，導(dǎo)致裝置無法抽真空;檢驗(yàn)產(chǎn)物CuSO4時，也需拔掉橡皮塞，殘存在裝置內(nèi)的SO2直接擴(kuò)散到空氣中。

1.3蘇教版教材

蘇教版

教材實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示[3]。該實(shí)驗(yàn)方案雖然操作簡便、現(xiàn)象明顯，但在實(shí)際操作中，為防止倒吸，停止加熱前需打開雙孔橡皮塞，此時濃硫酸與銅還在反應(yīng)，SO2大量外逸;反應(yīng)后溶液藍(lán)色很淡，稍冷卻即轉(zhuǎn)為無色，不利于CuSO4的判斷。

2文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)概述

查閱各種教學(xué)期刊，關(guān)于“濃硫酸與銅反應(yīng)”的論文主要有三類。

第一類為研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。李穎、劉懷樂[4]通過實(shí)驗(yàn)證明，銅片變黑，是由于不同條件下的先后反應(yīng)和若干的平行反應(yīng)，生成了CuS、 Cu2S、 Cu2O、 Cu2SO4和S等一系列物質(zhì)的混合物。夏立先[5]通過實(shí)驗(yàn)證明，濃硫酸和銅反應(yīng)后溶液呈綠色，是由于銅片表面未清洗，含有氯元素。

第二類為控制實(shí)驗(yàn)條件。王繼璋[6]通過實(shí)驗(yàn)證明，先把濃硫酸加熱到260℃，再加入銅片反應(yīng)，可減少黑色物質(zhì)生成。宋志貴[7]通過實(shí)驗(yàn)證明，使用市售濃硫酸和水的體積比在2.5∶1～3∶1時，實(shí)驗(yàn)效果較好。

第三類為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。這類研究主要圍繞以下四點(diǎn)： 倒吸可防、反應(yīng)可控、污染可除、操作可行。如陳海濤[8]設(shè)計(jì)如圖4的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)時，在試管外用

磁鐵吸引試管內(nèi)的封鐵玻璃管，帶動螺旋狀銅絲沿著試管內(nèi)壁上下滑動，控制反應(yīng)進(jìn)程。結(jié)束時，用氣球打氣筒向受熱試管內(nèi)打氣，以驅(qū)除殘存SO2、加快試管冷卻、防止品紅溶液倒吸。但制作封鐵玻璃管較繁瑣、實(shí)驗(yàn)操作較復(fù)雜，且連接氣球打氣筒的玻璃導(dǎo)管未接近濃硫酸，受熱試管內(nèi)的SO2不易排盡。

綜上所述，針對教材和文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)的不足之處，筆者對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了新的改進(jìn)。

3新改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)用品

器材： 鐵架臺（帶鐵夾）、酒精燈、火柴、Y型管、雙孔橡皮塞、安全漏斗（環(huán)頸雙球）、直角導(dǎo)管、橡皮管、單向閥、濾紙條、滴管（帶刻度）、雙聯(lián)打氣球、針筒等

藥品： 市售濃硫酸、網(wǎng)線銅絲、水、品紅溶液、飽和NaOH溶液

3.2實(shí)驗(yàn)裝置

新改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

3.3實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象及結(jié)論

（1） 按圖5所示搭建實(shí)驗(yàn)裝置，在保證裝置氣密性的基礎(chǔ)上加注藥品。

① 在Y型管左側(cè)依次加入網(wǎng)線銅絲（長度約4cm）、濃硫酸（體積約1.5mL）;在右側(cè)加水（體積約2mL）。

② 把濾紙條（大小與市售pH試紙相當(dāng)）粘附在直角導(dǎo)管的外壁，并用品紅溶液潤濕;向雙球漏斗中注入飽和氫氧化鈉溶液（體積約1.5mL）。塞好雙孔橡皮塞后固定Y型管。

（2） 加熱。銅絲變黑、產(chǎn)生氣泡、管中充滿白霧。反應(yīng)約半分鐘后停止加熱，銅絲消失，管底出現(xiàn)灰白色不溶物，溶液呈淡藍(lán)色，濾紙條褪色（證明有SO2生成）。

（3） 冷卻后，反應(yīng)液呈無色。取下Y型管并旋轉(zhuǎn)，使一側(cè)反應(yīng)液慢慢傾入另一側(cè)水中，并混合均勻，得穩(wěn)定、鮮明的藍(lán)色溶液（證明有硫酸銅生成）。

（4） 課后，先用針筒從單向閥注水至接近直角導(dǎo)管底部，再換用雙聯(lián)打氣球打氣，排盡裝置中殘存SO2至雙球漏斗中的

NaOH吸收。

3.4實(shí)驗(yàn)疑問解釋

（1） 處理尾氣時，為何采用環(huán)頸雙球漏斗盛放飽和NaOH溶液，而不采用更常見的漏斗或長頸漏斗盛放蘸有NaOH溶液的棉球？

① 采用環(huán)頸雙球漏斗，便于盛放吸收液且能達(dá)到圖2中的吸收效果。若采用漏斗或長頸漏斗盛放蘸有NaOH溶液的棉球，不僅吸收效率低，而且NaOH溶液的量不易控制，太少，SO2的吸收效果不好;太多，溶液會流入Y型管中影響實(shí)驗(yàn)。

② 采用飽和NaOH溶液，利用其濃度大能加快吸收速率，且其呈油狀，黏稠度高，使SO2不易逸出，有利于提高吸收效率。

但要注意，所加溶液不能過多，以不進(jìn)入雙球漏斗球部為宜，防止冷卻時發(fā)生倒吸。

（2） 為何采用細(xì)銅絲讓其耗盡，而不采用反應(yīng)進(jìn)程可控的銅片或粗銅絲？

① 從實(shí)驗(yàn)?zāi)康慕嵌龋?/p>

讓銅絲消失，有利于簡化實(shí)驗(yàn)裝置、分析反應(yīng)本質(zhì)、達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。如果銅有剩余，則需要花費(fèi)較多時間解釋其表面黑色現(xiàn)象，不僅沖淡實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題，而且對于高一學(xué)生或基礎(chǔ)一般的學(xué)生，還很難得出正確結(jié)論。

當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)過程中，也同樣會觀察到銅絲表面變黑的現(xiàn)象，只是最終會全部轉(zhuǎn)化進(jìn)入溶液。對學(xué)有余力、學(xué)有能力的學(xué)生可開設(shè)微課進(jìn)行相關(guān)研究[9]。

② 從二次使用角度，

反應(yīng)之后，剩余粗銅絲（或銅片）的表面已發(fā)黑，還需經(jīng)過拉直、打磨，再卷成螺旋狀才能二次使用，沒有比用一次性耗盡的細(xì)銅絲更方便。

③ 從試劑用量角度，

本實(shí)驗(yàn)控制反應(yīng)進(jìn)程的目的是防止浪費(fèi)藥品。而改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中銅和濃硫酸的用量都很少，故沒有必要設(shè)置控制反應(yīng)進(jìn)程的措施。否則，會讓實(shí)驗(yàn)復(fù)雜化。

所以，把銅絲完全耗盡，把接觸控制轉(zhuǎn)化為用量控制，更有利于操作和教學(xué)。

（3） 要觀察CuSO4溶液的藍(lán)色，為什么需把反應(yīng)液倒入水中？

根據(jù)蘇教版教材[10]實(shí)驗(yàn)： 向膽礬晶體中加入少許濃硫酸并攪拌，觀察到膽礬由藍(lán)色變成灰白色，可見常溫下濃硫酸的吸水性強(qiáng)于CuSO4。根據(jù)文獻(xiàn)[11， 12]得知： 反應(yīng)完畢，硫酸濃度依然較高，冷卻后不利于CuSO4形成水溶液，也就不利于觀察到藍(lán)色。為了讓實(shí)際現(xiàn)象與理論描述保持一致，須加入適量的水，使形成CuSO4的稀硫酸溶液。

4改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 集成度高。將反應(yīng)發(fā)生、產(chǎn)物檢驗(yàn)、尾氣處理等裝置進(jìn)行集成，有利于課堂演示時進(jìn)行巡展。

（2） 操作簡便、現(xiàn)象明顯。只需旋轉(zhuǎn)Y型管，就能觀察到穩(wěn)定、鮮明的藍(lán)色溶液。

（3） 綠色環(huán)保。用針筒注水、雙聯(lián)打氣球打氣，可排盡體系中殘存SO2。用盛放少許堿液的雙球漏斗，既消除倒吸隱患，又解決SO2污染問題。

參考文獻(xiàn)：

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[3][10]王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2009： 91～92.

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[6]王繼璋. 溫度對銅和濃硫酸反應(yīng)的影響探究[J]. 化學(xué)教育， 2013， （9）： 64～68.

[7]宋志貴. 對銅和濃硫酸反應(yīng)的再認(rèn)識[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2011， （10）： 64.

[8]陳海濤. 銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案的新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （10）： 65～68.

[9][11]江合佩. 基于提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)科學(xué)素養(yǎng)的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)研究——以“探究銅與濃硫酸反應(yīng)的異?，F(xiàn)象”為例[J]. 化學(xué)教與學(xué)， 2016， （2）： 11～15.

[12]呂緒河等. 濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2014， （7）： 64～66.