銅與濃硫酸反應(yīng)實驗異常現(xiàn)象的探究及裝置的新設(shè)計

王春

摘要： 針對銅與濃硫酸反應(yīng)過程中產(chǎn)生灰黑色沉淀及溶液呈現(xiàn)墨綠色等異常現(xiàn)象，結(jié)合實驗方案的設(shè)計與探究分析產(chǎn)生該異?，F(xiàn)象的原因是反應(yīng)體系中含有Cu2O、 CuS、 Cu2S、單質(zhì)S以及CuCl2-4等物質(zhì)。對人教版新版教材中關(guān)于銅與濃硫酸反應(yīng)的實驗裝置的優(yōu)點和不足進(jìn)行分析，從增強實驗的演示效果、嚴(yán)謹(jǐn)性、綜合性及可操作性等方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 銅與濃硫酸; 異?，F(xiàn)象; 實驗探究; 實驗改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2020）11-0076-04

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題的提出

在研究濃H2SO4的化學(xué)性質(zhì)時，Cu與濃H2SO4的反應(yīng)是用來說明濃H2SO4具有強氧化性的一個典型反應(yīng)，為使學(xué)生能全面理解并掌握這一重要化學(xué)反應(yīng)，同時了解SO2的相關(guān)化學(xué)性質(zhì)，人民教育出版社最新出版的普通高中教科書（2019版）《化學(xué)（必修）第二冊》第5頁設(shè)計了如下實驗： 在帶導(dǎo)管的橡膠塞側(cè)面挖一個凹槽，并嵌入下端卷成螺旋狀的銅絲。在試管中加入2mL濃硫酸，塞好橡膠塞，使銅絲與濃硫酸接觸。加熱，將產(chǎn)生的氣體先后通入品紅溶液和石蕊溶液中，觀察實驗現(xiàn)象。向外拉銅絲，終止反應(yīng)。冷卻后，將試管里的物質(zhì)慢慢倒入盛有少量水的另一支試管里，觀察溶液的顏色[1]。實驗裝置如圖1所示。

按照教材所示實驗裝置，銅與濃硫酸反應(yīng)的現(xiàn)象一般描述為： 反應(yīng)過程中溶液逐漸變?yōu)樗{(lán)色，試管中有氣體產(chǎn)生，該氣體能使品紅溶液褪色，使紫色石蕊溶液變紅。筆者按照教材所給實驗裝置通過反復(fù)實驗及仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)有如下現(xiàn)象產(chǎn)生： （1）加熱初期，銅絲表面逐漸變黑;（2）繼續(xù)加熱，有大量刺激性氣體產(chǎn)生，溶液逐漸變?yōu)槟G色濁液，試管底部開始有灰白色沉淀生成;（3）再加熱，試管中出現(xiàn)“白霧”，濁液逐漸變?yōu)槌吻澹芤侯伾優(yōu)闇\藍(lán)色，試管底部灰白色沉淀增多;（4）冷卻，靜置，將試管中液體倒入另一支盛水試管中，管壁發(fā)燙，溶液略帶藍(lán)色，將灰白色固體倒入水中，形成藍(lán)色溶液[2]。上述實驗現(xiàn)象與教材中預(yù)期的實驗現(xiàn)象存在較大的差異，筆者帶著疑問查閱了相關(guān)資料，并進(jìn)行相關(guān)的實驗探究和實驗改進(jìn)。

2? 對實驗異?，F(xiàn)象的解釋探究

相關(guān)文獻(xiàn)資料對銅和濃硫酸的反應(yīng)隨著溫度的變化對應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)行了如下解釋[3]：

（1） 當(dāng)反應(yīng)溫度在100℃左右，發(fā)生的主要反應(yīng)為： 5Cu+4H2SO4（濃）△Cu2S+3CuSO4+4H2O。

（2） 溫度高于100℃，隨反應(yīng)溫度逐漸升高，發(fā)生的反應(yīng)有：

Cu+H2SO4（濃）△CuO+SO2↑+H2O; 2Cu+H2SO4（濃）△Cu2O+SO2↑+H2O;

Cu+2H2SO4（濃）△CuSO4+SO2↑+2H2O;

Cu2S+2H2SO4（濃）△CuSO4+CuS+SO2↑+2H2O;

CuS+2H2SO4（濃）△CuSO4+SO2↑+S+2H2O。

因此，根據(jù)上述反應(yīng)的發(fā)生，銅和濃硫酸反應(yīng)過程中除了生成主要產(chǎn)物CuSO4和SO2外，還應(yīng)有很多副產(chǎn)物生成。反應(yīng)最終生成的沉淀成分有哪些？反應(yīng)體系溶液和沉淀的顏色變化如何解釋？筆者結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料并通過實驗探究作如下分析。

2.1? 沉淀物的成分分析

為了檢驗Cu與濃H2SO4反應(yīng)生成沉淀物的成分，本實驗設(shè)計了如下探究性實驗方案（如表1所示）。

實驗組別實驗方案實驗現(xiàn)象實驗結(jié)論（1）取Cu與濃H2SO4反應(yīng)生成的沉淀物，用蒸餾水進(jìn)行多次洗滌，干燥，得到沉淀物試樣（下同），然后取少量試樣放入試管中，向其中滴加適量濃硝酸，觀察實驗現(xiàn)象試管中沉淀逐漸溶解，并產(chǎn)生大量紅棕色氣體沉淀中可能有CuS、 Cu2S、 Cu2O、 S等還原性物質(zhì)

（2）分別取少量試樣放入兩支試管中，向其中一支試管中滴加適量稀鹽酸（或稀硫酸），振蕩，加熱;向另一支試管中滴加適量濃鹽酸，振蕩，加熱，觀察現(xiàn)象滴加適量稀鹽酸（或稀硫酸）試管中沉淀不溶解;

滴加適量濃鹽酸試管中沉淀幾乎全部溶解沉淀中有CuS、 Cu2S

（3）取少量試樣放入一支試管中，向其中滴加5mL左右的酒精，充分搖動后，靜置、過濾，然后把濾液移入盛有水的試管中，稍加搖動，觀察酒精與水的界面現(xiàn)象酒精與水的界面呈現(xiàn)乳白色沉淀中有被酒精溶解的單質(zhì)S

（4）取少量試樣放入一支試管中，向其中滴加2～3mL氨水，振蕩，觀察現(xiàn)象，在空氣中放置一段時間后，繼續(xù)觀察現(xiàn)象沉淀中滴加氨水后，溶液呈極淺藍(lán)色，靜置觀察，淺藍(lán)色物質(zhì)在空氣中顏色逐漸變深，呈深藍(lán)色沉淀中有Cu2O固體

注： Cu2O存在的特征反應(yīng)：

Cu2O+4NH3·H2O2[Cu（NH3）2]+（極淺藍(lán)色）+2OH-+3H2O

2[Cu（NH3）2]++4NH3·H2O+1/2O22[Cu（NH3）4]2+（深藍(lán)色）+2OH-+3H2O

通過上述實驗現(xiàn)象可知，Cu與濃H2SO4反應(yīng)生成沉淀的主要成分有Cu2O、 CuS、 Cu2S和單質(zhì)S，沉淀中理論上可能存在的CuO會在反應(yīng)過程中與濃硫酸及濃度逐漸變稀的稀硫酸反應(yīng)生成CuSO4。

2.2? 反應(yīng)體系溶液及沉淀顏色分析

在加熱初期，溫度低于100℃時，濃硫酸氧化性不夠強，部分Cu失去1個電子變?yōu)镃u+，因為Cu+電子構(gòu)型為3d10，在干燥環(huán)境（濃H2SO4）中較為穩(wěn)定;Cu2S溶度積又特別小[Ksp（Cu2S）=2.0×10-47