硫與銅反應實驗再改進

王強

摘要： 梳理教材及文獻中硫與銅反應實驗的利與弊，用銅粉代替銅絲，師生共同參與對該實驗的再改進。改進后的實驗裝置改變了加料方式，使反應過程中銅粉與硫蒸氣充分接觸，加快了反應速率，實驗現(xiàn)象更加明顯，同時確保實驗的安全環(huán)保，充分實現(xiàn)了其教學價值。

關(guān)鍵詞： 硫與銅粉反應; 實驗改進; 實驗探究;紫銅粉;堿石灰

文章編號： 1005-6629（2021）10-0071-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

硫是一種生產(chǎn)、生活中常見的非金屬單質(zhì)，在一定條件下，能夠與金屬反應生成金屬硫化物。2019年版人教版普通高中教科書（簡稱新人教版）化學必修第二冊第五單元第一節(jié)“硫及其化合物”中提到硫能與銅反應，但僅對該反應作了符號表征（2Cu+S△Cu2S），而未設(shè)置相關(guān)實驗。

實驗是學生認識物質(zhì)及其變化的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學生化學學科興趣的源頭。在此實驗中由于硫與銅反應是放熱過程，理論上還能通過反應后銅變紅熱現(xiàn)象呈現(xiàn)反應能量的變化，若能加以演示，可使學生直觀感受化學反應中不僅有新物質(zhì)的生成，還伴隨有能量的變化，進而培養(yǎng)學生細致入微的觀察能力，增強學生從宏微結(jié)合視角分析問題的能力，引導學生樹立變化觀念。

查閱相關(guān)文獻資料，1983年版高中化學教材（以下稱老教材）曾設(shè)置了硫與銅反應的演示實驗[1]，具體操作步驟為： 給盛有硫粉的大試管加熱，加熱到硫沸騰產(chǎn)生蒸氣時，用坩堝鉗夾住一束擦亮的銅絲伸入管口（如圖1所示），觀察實驗現(xiàn)象。

該裝置易于組裝，實驗操作簡便，現(xiàn)象較為明顯，便于課堂演示，發(fā)揮了實驗的教學功能，有一定的參考價值。但該實驗存在以下不足：

（1） 實驗中產(chǎn)生二氧化硫，若不及時處理，則會污染環(huán)境，影響師生健康。

（2） 當溫度相對較低的銅絲插入含硫蒸氣的大試管中時，銅絲表面往往會有少量硫單質(zhì)凝結(jié)。若降低加熱效果，往往需要較長的時間才能觀察到應有的現(xiàn)象。該操作還可能造成銅絲與試管壁沾粘，影響實驗現(xiàn)象的觀測。

2? 對相關(guān)實驗改進文獻的簡述

經(jīng)典的教材實驗為我們提供了有價值的參考資源，以及改進和創(chuàng)新的廣闊空間。楊育民[2]將試管截短，然后加入硫粉，并將試管垂直固定于鐵架臺上，酒精燈加熱，待試管內(nèi)硫生成5cm高的蒸氣時，從管口插入銅絲，即可觀察到明顯的實驗現(xiàn)象（如圖2所示）。該改進實驗克服了試管過長時銅絲易與試管壁沾粘不易插入的缺點，同時增加了硫蒸氣高度，提升了實驗的成功率，但沒有解決副產(chǎn)物二氧化硫的污染問題。

蒯世定[3]將生活中常見的細銅絲導線用于實驗改進，剝?nèi)ゼ氥~絲導線外表的塑料皮，將細銅絲松散地繞在一段約30cm長的玻璃棒上，伸入加熱產(chǎn)生硫蒸氣的試管中，銅絲立即呈紅熱狀態(tài)（如圖3所示）。該改進實驗可觀察性較強，避免了銅絲會被硫蒸氣粘在試管壁上，但依然沒有解決二氧化硫的污染問題。

張濤[4]利用粗短具支試管代替大試管，有利于產(chǎn)生足量的硫蒸氣，并連接盛有堿液的燒杯。加熱盛有硫粉的具支試管，當試管內(nèi)產(chǎn)生部分高溫硫蒸氣后，慢慢將玻璃棒向里推，使銅絲與硫蒸氣反應（如圖4所示）。該改進實驗不僅有效吸收了二氧化硫氣體，而且避免了銅絲與試管壁的沾粘。

婁青燕[5]采用套管裝置，將銅粉與硫粉混合物平鋪于小試管中，然后將小試管塞上石棉絨，再橫放入大試管中，大試管則固定在鐵架臺上呈水平方向，用導管通向氫氧化鈉溶液。對準小試管部位加熱，即可觀察到紅熱現(xiàn)象（如圖5所示）。套管裝置保證了實驗在相對封閉的環(huán)境中進行，避免對空氣造成污染。

盛錫銘[6]為避免硫蒸氣對視線的干擾，便于控制銅絲伸入的深度，同時防止二氧化硫污染環(huán)境，將大試管豎直固定于鐵架臺上，并將纏有細銅絲的鐵絲固定于大試管內(nèi)，大試管頂部則通過橡膠塞連接裝有濕堿石灰的球形干燥管進行實驗（如圖6所示）。該裝置起到了簡化實驗操作、提高成功率、消除污染的效果。

王建芬等[7]將一束細銅絲纏繞在一根粗銅絲末端，將安全套和蒸餾瓶組裝成密閉裝置。實驗過程中通過朝不同方向扭轉(zhuǎn)安全套，控制銅絲深入試管的深度，以防止加熱硫粉時細銅絲被氧化或覆蓋一層單質(zhì)硫。在蒸餾瓶支管處連接盛有干燥脫脂棉和濕堿石灰的球形干燥管，以避免二氧化硫外逸（如圖7所示）。該裝置構(gòu)思新穎，設(shè)計巧妙，取材容易。

化學工作者通過巧妙的構(gòu)思、新穎的設(shè)計，從不同角度出發(fā)，就地取材，改進和創(chuàng)新實驗裝置，甚至還對反應條件及產(chǎn)物進行分析探討，取得了較理想的效果。上述改進實驗的背后，也還存在一些問題值得思考。有些實驗為達到硫與銅的反應和二氧化硫的吸收裝置一體化的目的，通常將銅絲或玻璃棒穿嵌在橡膠塞中，再將橡膠塞塞入試管，這樣會造成抽拉銅絲較為困難，且在抽拉銅絲的過程中，往往會帶出橡膠塞，破壞裝置的氣密性，造成二氧化硫外逸，影響改進效果。另外銅絲或玻璃棒穿嵌在橡膠塞中不易控制插入試管內(nèi)的深度，尤其固定銅絲時，更加難以確保銅絲恰好處于高溫硫蒸氣所處的區(qū)域。

另外，部分教師利用自制教具改進此實驗，若教具的設(shè)計和制作過于復雜繁瑣，或反應條件較為苛刻，都會導致教師在實驗準備階段耗時過多，不利于推廣。且學生在理解復雜教具制作原理、功能和體驗制作過程時，分散了較多精力，加重了認知負擔，不利于學生對實驗現(xiàn)象的觀察和對實驗原理的理解，減弱了實驗的教學功能。

3? 硫與銅反應再改進

化學實驗創(chuàng)新設(shè)計對培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)、發(fā)揮實驗育人功能起著重要作用。立足于化學學科基礎(chǔ)，分析現(xiàn)有實驗的利弊，設(shè)計、優(yōu)化實驗方案，對反應條件、實驗裝置、實驗輔助手段等進行創(chuàng)新研究和驗證，有利于發(fā)展學生運用化學知識和實驗方法開展科學探究的能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力。

老版本教材和部分已有改進實驗中，大多采用了銅絲與高溫硫蒸氣反應的模式，由于銅絲在試管中預熱時間較長，容易造成銅絲表面氧化，且銅絲表面凝結(jié)的硫不利于進一步反應。為進一步提升學生的探究和創(chuàng)新能力，師生共同對硫與銅反應實驗進行了再改進。本實驗用銅粉代替銅絲，改變加料方式，讓銅粉自由下落，而硫沸騰產(chǎn)生的蒸氣則向上運動，在“對流”過程中銅粉可均勻地分散在硫蒸氣中，銅粉與硫蒸氣充分接觸，提高了反應速率，增強了反應現(xiàn)象的可觀察性，達到了簡化操作、提高成功率、保護環(huán)境等目的。

3.1? 實驗原理

硫與銅反應主要涉及以下反應及知識：

（1） 硫與銅在加熱條件下反應生成黑色的硫化亞銅： 2Cu+S△Cu2S;

（2） 在加熱條件下，硫與空氣中氧氣反應生成二氧化硫： S+O2△SO2;

（3） 副產(chǎn)物二氧化硫可被堿石灰吸收。

3.2? 實驗主要用品

紫銅粉（800目，網(wǎng)購）、具支試管（內(nèi)徑20mm，長度200mm）、堿石灰、橡皮管、橡膠塞、導管、小試管、干燥管、酒精燈、鐵架臺等

3.3? 實驗方法

（1） 取一具支試管，裝入3g硫粉，于支管處連接一盛有堿石灰的干燥管，以便吸收副產(chǎn)物二氧化硫。

（2） 在一小試管內(nèi)放入2g紫銅粉，通過橡皮管、橡膠塞和導管與具支試管上口相連（如圖8所示）。關(guān)閉彈簧夾，防止加熱初期少量硫進入小試管。

（3） 用酒精燈加熱硫粉。當硫沸騰產(chǎn)生大量深棕色蒸氣時，打開彈簧夾，抬起小試管，使紫銅粉緩緩落入具支試管中與高溫硫蒸氣反應，并觀察現(xiàn)象。

3.4? 實驗現(xiàn)象

實驗過程中，下落的硫粉與向上運動的高溫硫蒸氣形成“對流”，兩者接觸時很快達到反應溫度，可觀察到銅粉迅速變得紅熱，甚至還有火星出現(xiàn)，反應劇烈。反應結(jié)束硫蒸氣冷卻后，可以觀察到試管壁上和底部均出現(xiàn)黑色的產(chǎn)物。

3.5? 實驗說明

（1） 若圖8中裝紫銅粉的小試管固定困難，可另取一鐵架臺予以固定，圖中不再顯示。

（2） 銅粉顆粒應細小，便于添加。細小的銅粉下落時更易分散，利于銅粉與硫蒸氣充分接觸，進一步縮短銅粉預熱時間，利于提高反應速率。為延長觀測時間，添加銅粉時，應緩緩抬起小試管，必要時可輕輕抖動小試管，使銅粉順利下落。

（3） 應充分加熱硫粉，使其產(chǎn)生足量的高溫蒸氣，以增強反應現(xiàn)象和實驗效果。

3.6? 實驗優(yōu)點與素養(yǎng)培養(yǎng)價值

（1） 再改進實驗現(xiàn)象明顯，避免了銅絲預熱時間較長的缺點，使反應較快進行。銅粉與硫蒸氣反應范圍廣，有利于擴大學生的觀察視野。下落的銅粉產(chǎn)生火星和紅熱現(xiàn)象，有利于激發(fā)學生的興趣，便于學生直觀感受化學反應產(chǎn)生的物質(zhì)與能量的變化，增強學生實驗的觀察力，促進學生對化學學科知識的理解，培養(yǎng)學生的變化觀念。

（2） 再改進實驗充分考慮了二氧化硫的吸收問題，有利于培養(yǎng)學生的安全意識和環(huán)境保護意識，加強學生的社會責任感。

（3） 通過梳理分析老教材與已有改進實驗的利弊，可以增加學生深入閱讀分析文獻資料的機會，按照發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想、設(shè)計方案、實驗驗證的流程對硫與銅反應進行再改進，有利于學生掌握科學探究的一般過程與方法，以創(chuàng)新實驗的設(shè)計與實施培養(yǎng)學生的探究意識、問題意識和創(chuàng)新意識，增強學生設(shè)計和優(yōu)化實驗的能力。

化學實驗蘊含的學科特質(zhì)對培養(yǎng)并發(fā)展學生科學思維、科學品質(zhì)具有不可替代的作用[8]。運用化學知識與技能，遵循科學性、可行性、安全性等原則，根據(jù)一定的實驗目的，按照科學的方法，對實驗原理、試劑、裝置、步驟和方法等進行設(shè)計和改進，通過一系列教師與學生共同參與的科學探究活動，充分發(fā)揮了化學實驗的教學價值。

參考文獻：

[1]人民教育出版社. 高級中學課本（試用）·化學（甲種本第一冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 1983： 52.

[2]楊育民. 銅和硫反應裝置的改進[J]. 實驗教學與儀器， 1994， （5）： 18.

[3]蒯世定. 銅與硫反應實驗的改進[J]. 化學教育， 1999， （4）： 37.

[4]張濤. 硫與銅反應的防污染裝置[J]. 化學教學， 1995， （8）： 10～11.

[5]婁青燕. 硫與銅反應的實驗改進[J]. 湖北中小學實驗室， 2001， （1～2）： 48.

[6]盛錫銘. 硫與銅反應實驗的探討[J]. 化學教學， 1997， （12）： 12～13.

[7]王建芬， 齊俊林. 硫與銅反應實驗的新設(shè)計[J]. 化學教學， 2017， （11）： 56～58.

[8]劉貝貝， 嚴文法. 中學化學實驗改進與創(chuàng)新設(shè)計的誤區(qū)及應然路徑[J]. 化學教學， 2020， （12）： 67～71.