基于數(shù)字化的濃硫酸與銅反應(yīng)裝置一體化改進(jìn)

江西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(330022) 李艷華 黎泓波 盛壽日

上饒師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院(334000) 張小蘭

1 問題提出

濃硫酸與銅反應(yīng)在高中化學(xué)實驗教學(xué)中占有重要的一席之地，它是驗證濃硫酸具有強(qiáng)氧化性的一個經(jīng)典實驗。此實驗在人教版新舊教材中有著不同的呈現(xiàn)。

1.1 人教版舊教材

人教版舊教材中有關(guān)濃硫酸與銅反應(yīng)的實驗裝置圖如圖1所示，該實驗設(shè)計主要是將下端卷成螺絲狀的銅絲插入到膠塞側(cè)面，通過上下拉動銅絲來控制反應(yīng)的發(fā)生與終止；用品紅溶液來檢驗SO2的生成，以及將反應(yīng)后的溶液倒入另一支裝有水的試管中來用于另一產(chǎn)物CuSO4的檢驗。實驗裝置簡單，易于在中學(xué)課堂開展，但存在以下不足之處：①銅絲上下抽動的活動性與裝置的氣密性很難達(dá)到兩全；②只有SO2檢驗裝置，缺少SO2尾氣處理裝置；③檢驗產(chǎn)物CuSO4需要將活塞打開，此時SO2會外逸，不符合綠色化學(xué)理念。

圖1 人教版舊教材裝置圖

1.2 人教版新教材

人教版新教材在舊版本教材的基礎(chǔ)上，對實驗裝置進(jìn)行了進(jìn)一步地改進(jìn)(裝置圖見圖2)。新增一支裝有紫色石蕊溶液的試管，可以用于證明SO2溶于水顯酸性這一性質(zhì)，并且在試管口還放有浸NaOH溶液的棉團(tuán)，可以吸收SO2防止其逸出污染空氣。盡管新教材對此實驗進(jìn)行了改進(jìn)，但依然存在與舊教材相同或相似的不足：新教材依舊采用在導(dǎo)管橡膠塞側(cè)面挖凹槽，將下端卷成螺旋狀的銅絲嵌入，通過上下抽動銅絲來控制反應(yīng)的做法。針對此做法，若銅絲與橡膠塞之間摩擦過小，銅絲不易抽動；若過大，裝置氣密性無法得到保證，SO2容易逸出。此外，另一產(chǎn)物硫酸銅的檢驗還是要通過拔出橡膠塞將溶液倒入水中，SO2飄入空氣中無可避免。

圖2 人教版新教材裝置圖

2 研究現(xiàn)狀

針對上述人教版新舊版本教材中濃硫酸與銅反應(yīng)實驗裝置的不足，一些學(xué)者對該實驗從不同角度進(jìn)行了改進(jìn)。

張義、王強(qiáng)在《“銅與濃硫酸反應(yīng)”實驗裝置的再改》中在分析了人教版高中化學(xué)教材中濃硫酸與銅反應(yīng)的實驗裝置不足的基礎(chǔ)上，從綠色環(huán)保理念對裝置進(jìn)行了改進(jìn)(見圖3)。該實驗裝置利用注射器來控制反應(yīng)，藥品用量少，實現(xiàn)了一體化流程。但是依然存在以下不足：將銅絲固定在注射器活塞上的橡膠這一步操作復(fù)雜，無法預(yù)測是否牢固可行；將溫水注入含有濃硫酸的反應(yīng)液中不符合濃硫酸稀釋操作原則，容易產(chǎn)生危險；反應(yīng)裝置中有殘留二氧化硫氣體無法完全除去。

圖3 實驗裝置改進(jìn)1

馬園、嚴(yán)文法在《再探銅與濃硫酸反應(yīng)實驗的改進(jìn)》中基于人教版教材的實驗裝置，在其他研究者的基礎(chǔ)上提出了新的改進(jìn)方案(見圖4)。該實驗裝置在銅絲下端掛一塊銅片，銅絲穿過玻璃導(dǎo)管并在上端用氣球封口，通過抽動銅絲來控制銅片與濃硫酸的接觸，從而達(dá)到控制反應(yīng)發(fā)生與終止的目的，此外，還可通過打開止水夾來處理倒吸問題。但反應(yīng)結(jié)束后裝置內(nèi)二氧化硫氣體無法全部吸收，會造成環(huán)境的污染，針對反應(yīng)另一產(chǎn)物硫酸銅也沒有進(jìn)行檢驗。

圖4 實驗裝置改進(jìn)2

張紅衛(wèi)在《濃硫酸與銅反應(yīng)實驗的改進(jìn)》中比對了現(xiàn)行三套教材中濃硫酸與銅反應(yīng)的實驗裝置圖，針對教材實驗與文獻(xiàn)改進(jìn)裝置中的不足，提出了新的裝置改進(jìn)方案(見圖5)。該方案以Y型管作為反應(yīng)發(fā)生裝置，用針筒注水并用雙聯(lián)打氣球打氣來將實驗裝置內(nèi)二氧化硫氣體趕入裝有飽和氫氧化鈉溶液的雙球漏斗內(nèi)吸收，集成度高，綠色環(huán)保。但反應(yīng)發(fā)生器Y型管在中學(xué)并不常見，獲取不易；直接將銅絲消耗殆盡也不利于控制反應(yīng)的終止，此外，也無法確保裝置內(nèi)二氧化硫氣體完全被吸收。

圖5 實驗裝置改進(jìn)3

綜上所述，基于人教版新舊教材中有關(guān)濃硫酸與銅反應(yīng)的不足，在分析對比文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，筆者提出了一套新的改進(jìn)方案。以三頸燒瓶作為反應(yīng)的發(fā)生裝置，通過磁鐵吸引繞有銅絲的磁子來控制反應(yīng)發(fā)生與終止，并以二氧化硫傳感器代替品紅溶液來作為產(chǎn)物二氧化硫氣體的檢驗以及反應(yīng)完成后監(jiān)測二氧化硫氣體的吸收。新改進(jìn)的實驗裝置在操作簡單、綠色環(huán)保的基礎(chǔ)上融入現(xiàn)代化設(shè)備，將定性實驗量化，還實現(xiàn)了SO2制備與性質(zhì)檢驗一體化。

3 實驗改進(jìn)方案

3.1 實驗用品

實驗儀器:帶鐵圈與鐵夾的鐵架臺、酒精燈、三頸燒瓶、燒杯、大試管、普通玻璃導(dǎo)管(長短)、帶活塞的玻璃長導(dǎo)管、三通管、鑷子、微型試驗盒、橡膠塞、橡皮管、止水夾、單向閥、玻璃針筒、洗耳球、三角漏斗、SO2傳感器、磁子、銅絲、磁鐵。

實驗藥品：濃硫酸、飽和氫氧化鈉溶液、品紅溶液、石蕊溶液、酸性高錳酸鉀溶液、Na2S溶液、蒸餾水。

3.2 實驗裝置圖

新改進(jìn)的實驗裝置圖如圖6所示。

圖6 實驗裝置改進(jìn)圖

3.3 實驗設(shè)計思路

本次實驗在利用數(shù)字化實驗改進(jìn)濃硫酸與銅反應(yīng)裝置的基礎(chǔ)上，集二氧化硫的氧化性、還原性、漂白性、溶于水顯酸性性質(zhì)檢驗于一體。實驗開始后，先加熱濃硫酸，觀察SO2傳感器示數(shù)；再讓銅與濃硫酸接觸反應(yīng)，觀察SO2傳感器示數(shù)，通過兩次數(shù)據(jù)的比對，就能驗證銅與濃硫酸反應(yīng)的確能生成二氧化硫，排除裝置中二氧化硫僅來自于濃硫酸中亞硫酸加熱分解的可能性。除此之外，SO2傳感器還可用于最后裝置內(nèi)二氧化硫含量的檢驗，確保所有二氧化硫都被氫氧化鈉溶液吸收。用磁子作為銅絲附著裝置的原因是因為磁子既具有磁性，方便磁鐵在三頸燒瓶外部吸引來控制上下；而磁子外部有四氟乙烯，不與濃硫酸反應(yīng)，因此不會對實驗造成影響。玻璃長導(dǎo)管上裝活塞，另一導(dǎo)管裝單向閥，活塞關(guān)閉，反應(yīng)裝置處于密閉狀態(tài)。打開止水夾1，生成的二氧化硫通過三通管進(jìn)入微型裝置進(jìn)行性質(zhì)檢驗，檢驗完成后關(guān)閉止水夾2。停止加熱，此時止水夾1、2均關(guān)閉，可防倒吸。液體冷卻后，打開止水夾1。洗耳球鼓氣的目的在于把裝置內(nèi)二氧化硫氣體全部趕入右側(cè)被飽和氫氧化鈉溶液吸收。

3.4 實驗步驟及實驗現(xiàn)象

(1)按照圖6所示搭建實驗裝置，并進(jìn)行裝置氣密性的檢驗。

(2)取一段銅絲，纏繞在磁子上，沿三頸燒瓶壁滑入底部，用磁鐵在外壁吸引，將其置于三頸燒瓶中部。

(3)在三頸燒瓶中加入約5 mL濃硫酸，燒杯中加飽和氫氧化鈉溶液至燒杯1/3處，直角導(dǎo)管一端與三通管用橡皮管相接，另一端接于三頸燒瓶其中一個支口。三頸燒瓶另一個支口插入SO2傳感器。

(4)三通管一端通過橡皮管與帶橡皮塞的導(dǎo)管相連，另一端接三角漏斗倒扣于飽和氫氧化鈉溶液表面。

(5)取1只大試管，滴加1 mL Na2S溶液、1 mL品紅溶液、1 mL石蕊溶液、1 mL酸性高錳酸鉀溶液以及2 mL飽和氫氧化鈉溶液于微型實驗盒中，按順序依次放入試管內(nèi)，試管與帶橡皮塞導(dǎo)管相連。

(6)先用酒精燈在三頸燒瓶底部預(yù)熱再集中加熱濃硫酸，觀察此時SO2傳感器的數(shù)據(jù)變化。

(7)用磁鐵將繞有銅絲的磁子移至濃硫酸浸沒磁子，不一會兒，觀察到銅絲表面變黑且有氣泡生成，三頸燒瓶底部有灰白色固體生成，SO2傳感器數(shù)據(jù)明顯上升。打開止水夾1，關(guān)閉止水夾2，右側(cè)試管現(xiàn)象依次為：產(chǎn)生黃色沉淀、品紅溶液褪色、紫色石蕊試液變紅、高錳酸鉀溶液褪色，關(guān)閉止水夾1，停止加熱。

(8)反應(yīng)液冷卻后，打開玻璃導(dǎo)管活塞，用玻璃針筒抽取適量反應(yīng)液后關(guān)閉活塞，將玻璃針筒伸入裝有蒸餾水的燒杯中，注入反應(yīng)液，觀察到形成穩(wěn)定的藍(lán)色溶液。

(9)打開止水夾2，用洗耳球從單向閥中注入空氣，將三頸燒瓶中的SO2全部趕入飽和氫氧化鈉溶液中，使其被吸收。通過觀察SO2傳感器數(shù)據(jù)來實時掌控三頸燒瓶中SO2含量，確保裝置內(nèi)SO2完全被吸收。

4 改進(jìn)實驗的優(yōu)點

(1)運用了手持技術(shù)現(xiàn)代化設(shè)備，學(xué)生可直接觀察到二氧化硫氣體產(chǎn)生情況，此裝置還可用于探究濃硫酸與銅反應(yīng)濃硫酸的最適濃度，將定性實驗量化；并且可以監(jiān)控最后裝置是否有二氧化硫氣體殘留，以便除盡，很好地貫徹了綠色化學(xué)的理念。

(2)用磁鐵吸引繞有銅絲的磁子，可以控制反應(yīng)的發(fā)生與終止，并且可以很好地解決了人教版教材中銅絲上下抽動的活動性與裝置的氣密性很難達(dá)到兩全這一難題，此外，還能避免一些實驗用鐵釘改進(jìn)對實驗造成的影響。

(3)使用玻璃針筒抽取反應(yīng)液注入蒸餾水中，得到藍(lán)色溶液，可以檢測另一產(chǎn)物硫酸銅，且在這個過程中不會造成二氧化硫逸出，綠色環(huán)保。

(4)通過洗耳球向裝置內(nèi)鼓氣，驅(qū)趕裝置內(nèi)二氧化硫被飽和氫氧化鈉溶液吸收，從而使二氧化硫被吸收完全，不污染環(huán)境。

(5)實現(xiàn)了裝置一體化，改進(jìn)后的裝置集SO2產(chǎn)生、驗證氧化性、還原性、漂白性、酸性性質(zhì)檢驗于一體。