用N形管和三通閥改進(jìn)銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

周密　岑秋琳　安浪沙　王中華

摘要： 銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)比較重要的實(shí)驗(yàn)之一。針對(duì)現(xiàn)行教材中該反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的不足，在分析總結(jié)文獻(xiàn)中已有的多項(xiàng)改進(jìn)方案后，提出以N形管和三通閥聯(lián)合使用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案具有實(shí)驗(yàn)裝置小巧、反應(yīng)可控、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、無(wú)污染氣體排出、能防倒吸等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 銅和濃硫酸反應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)； 實(shí)驗(yàn)探究； N形管； 三通閥

文章編號(hào)： 10056629（2023）10007103 中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題提出

銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是學(xué)生理解濃硫酸的強(qiáng)氧化性與酸性以及二氧化硫的漂白性與酸性的重要實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)行的人教版《化學(xué)》必修第二冊(cè)中，該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)抽拉銅絲控制反應(yīng)進(jìn)行的，然后將產(chǎn)生的氣體依次通入品紅溶液和石蕊溶液中，以驗(yàn)證生成的二氧化硫的漂白性和酸性，并且在最后一個(gè)試管的管口塞了一個(gè)浸有氫氧化鈉溶液的棉球，用以吸收多余的二氧化硫。在反應(yīng)結(jié)束后，將試管內(nèi)的物質(zhì)倒入盛有少量蒸餾水的另一支試管中，以檢測(cè)生成物硫酸銅。該實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示［1］。在此實(shí)驗(yàn)中，相比舊版教材，增加了用于吸收SO2尾氣的氫氧化鈉棉球，以及用于檢驗(yàn)SO2酸性的紫色石蕊溶液。但該實(shí)驗(yàn)存在以下不足：（1）銅絲由橡膠塞側(cè)面凹槽伸入試管中，向外拉動(dòng)銅絲的時(shí)候，容易導(dǎo)致橡膠塞脫落，不易保證裝置的氣密性。（2）反應(yīng)完成后，在拆除裝置時(shí)，裝置內(nèi)殘存的SO2會(huì)污染環(huán)境。（3）在冷卻過(guò)程中，品紅溶液易被倒吸進(jìn)入反應(yīng)試管。（4）冷卻后將剩余物質(zhì)倒入盛有少量水的試管里，溶液的藍(lán)色并不明顯。

2 相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)評(píng)

基于以上問(wèn)題，不少研究者對(duì)該實(shí)驗(yàn)從不同的角度提出了改進(jìn)，這里簡(jiǎn)單分析一下近期發(fā)表的三個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

張紅衛(wèi)［2］通過(guò)使用Y形管和環(huán)頸雙球，再用針筒注水、雙聯(lián)打氣球打氣，以及盛有堿液雙球漏斗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)殘留的SO2的完全吸收，也防止了倒吸。不足之處是：不能控制反應(yīng)的進(jìn)程，會(huì)有較多的黑色副產(chǎn)物生成，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生了干擾，且沒(méi)有對(duì)產(chǎn)物二氧化硫的酸性進(jìn)行驗(yàn)證。

李文杰［3］的改進(jìn)是：在裝置反應(yīng)部分添加了一個(gè)洗耳球，反應(yīng)完后用洗耳球?qū)⒀b置內(nèi)氣體吹入雙通管，使裝置內(nèi)殘存的SO2被雙通管中的含有氫氧化鈉溶液的脫脂棉吸收；將98%的濃硫酸改為80%的濃硫酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)后更易呈現(xiàn)藍(lán)色的現(xiàn)象；將品紅溶液和石蕊溶液改為蘸有品紅和石蕊的試紙，實(shí)現(xiàn)了微量化的改進(jìn)；同時(shí)通過(guò)將銅絲插入膠頭滴管內(nèi)，可以更輕易地抽動(dòng)銅絲，從而控制反應(yīng)的進(jìn)行。不足之處是：脫脂棉中含有的氫氧化鈉溶液有限，無(wú)法將裝置內(nèi)的SO2吸收完全；將膠頭滴管和導(dǎo)管插入橡皮塞中的操作較為繁瑣，且不易保證裝置的氣密性。

鞏永銳［4］的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)殘留二氧化硫的吸收處理，能防倒吸，也能對(duì)反應(yīng)速率進(jìn)行控制。不足之處是：該實(shí)驗(yàn)裝置較為龐大，在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)需要較大的空間，且?guī)脚_(tái)的直角玻璃較為細(xì)長(zhǎng)，存放十分不便。

3 改進(jìn)方案

3.1 儀器與藥品

儀器：N形管、三通閥、磁力攪拌子、磁環(huán)、10mL注射器（兩個(gè)，其中一個(gè)帶針頭）、橡膠塞、膠頭滴管、酒精燈、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、火柴

藥品：濃硫酸（98%）、銅絲（長(zhǎng)約15cm）、1mol/L氫氧化鈉溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、蒸餾水

N形管：如圖2所示。左右兩側(cè)都為長(zhǎng)約16cm、內(nèi)徑約1.5cm的硬質(zhì)玻璃試管，左側(cè)試管離底部約1cm處與右側(cè)試管離底部約10cm處通過(guò)口徑較大的導(dǎo)管（內(nèi)徑約8mm）將兩試管連通即可（可定制）。

三通閥：如圖3所示。有三個(gè)出入口，旋轉(zhuǎn)旋鈕，利用閥門的切換可以實(shí)現(xiàn)液體在三個(gè)口的自由進(jìn)出。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 取約7mL 1mol/L的氫氧化鈉溶液，向其中滴加幾滴紫色石蕊溶液，溶液變藍(lán)，得到含石蕊的氫氧化鈉溶液。

（2） 選取一段長(zhǎng)約15cm的銅絲，上端纏繞在磁力攪拌子上，下端折疊成螺旋狀。

（3） 將三通閥一端接上注射器針頭，插入橡膠塞中，在另外兩端分別接上裝有約4mL的蒸餾水和4mL 1mol/L的氫氧化鈉溶液的注射器（三通閥連有注射器針頭的一端為a口，裝有氫氧化鈉溶液的一端為b口，裝有蒸餾水的一端為c口）。

（4） 將N形管固定在鐵架臺(tái)上，向N形管左側(cè)試管（以下簡(jiǎn)稱左側(cè)試管）中加入第一步制得的含石蕊的氫氧化鈉溶液，高度約3cm；N形管右側(cè)試管（以下簡(jiǎn)稱右側(cè)試管）中加入約1.5mL的濃硫酸，然后將處理好的銅絲放入右側(cè)試管中，并通過(guò)磁環(huán)將其與濃硫酸分離；隨后將接有三通閥的橡皮塞塞在右側(cè)試管管口。

（5） 檢查裝置氣密性。方法為：點(diǎn)燃酒精燈，加熱右側(cè)試管中的濃硫酸，若N形管中間的導(dǎo)管處（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)管）的液柱高度逐漸降低，降低至導(dǎo)管與左側(cè)試管的接口處，使左側(cè)試管產(chǎn)生氣泡，則說(shuō)明裝置氣密性良好。

（6） 繼續(xù)加熱濃硫酸至有少量白霧生成，然后將磁環(huán)向下移動(dòng)，控制銅絲與濃硫酸接觸，讓銅絲與濃硫酸反應(yīng)?，F(xiàn)象：濃硫酸接觸銅絲后劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量白霧，蘸有品紅的濾紙逐漸褪色，即驗(yàn)證了二氧化硫的漂白性；并且左側(cè)試管繼續(xù)產(chǎn)生氣泡。

（7） 待反應(yīng)約50秒后，左側(cè)試管中含石蕊的氫氧化鈉溶液由藍(lán)色變?yōu)榧t色，即驗(yàn)證了二氧化硫的酸性。此時(shí)熄滅酒精燈，將磁環(huán)向上移動(dòng)，終止反應(yīng)。然后再靜置冷卻半分鐘左右，旋轉(zhuǎn)三通閥的旋鈕，使a、 c口相通，向其中緩慢注入約4mL蒸餾水?，F(xiàn)象：靜置后，右側(cè)試管底部有灰白色沉淀生成，溶液為淺墨藍(lán)色；加入蒸餾水后，底部灰白色沉淀溶解，溶液呈現(xiàn)淺墨藍(lán)色，藍(lán)色較淺，并且其中漂浮著黑色小顆粒固體。

（8） 再次旋轉(zhuǎn)三通閥旋鈕，使a、 b口相通，向其中緩慢注入4mL 1mol/L的氫氧化鈉溶液。現(xiàn)象：液體分層，上層溶液為無(wú)色，中間層出現(xiàn)明顯的藍(lán)色絮狀沉淀，下層仍為淺墨色溶液。

3.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)整個(gè)裝置全程密封，不會(huì)存在二氧化硫逸出的情況，且裝置內(nèi)殘留的二氧化硫也會(huì)被完全吸收。

（2） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于學(xué)生觀察，從加熱到反應(yīng)結(jié)束整個(gè)過(guò)程均有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生，能吸引學(xué)生的注意力，引發(fā)學(xué)生的興趣。

（3） 反應(yīng)進(jìn)程可控。在反應(yīng)過(guò)程中，利用磁力攪拌子與磁環(huán)的吸引力來(lái)控制銅絲上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)控制反應(yīng)進(jìn)程的目的。

（4） 倒吸可防。在左側(cè)試管內(nèi)，含石蕊的氫氧化鈉溶液的量?jī)H僅超過(guò)了接口1.5cm左右，N形管的結(jié)構(gòu)保證其維持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，因此左側(cè)試管內(nèi)的氫氧化鈉溶液不會(huì)出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象而進(jìn)入右側(cè)試管中。

（5） 此實(shí)驗(yàn)不僅可以通過(guò)觀察銅離子的藍(lán)色來(lái)證明生成硫酸銅，并且新增了通過(guò)利用生成氫氧化銅的方式對(duì)銅離子進(jìn)行檢驗(yàn)。氫氧化銅沉淀的藍(lán)色比溶液的藍(lán)色更明顯，即使溶液中的銅離子濃度較低，只要生成了氫氧化銅，藍(lán)色就很明顯，更易于學(xué)生觀察。

4 幾點(diǎn)說(shuō)明

（1） 實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先將濃硫酸預(yù)熱至有少量白霧后再將銅絲與其接觸反應(yīng)，可有效減少副反應(yīng)的發(fā)生［5］。

（2） 三通閥內(nèi)的蒸餾水滴加的速度不宜過(guò)快，若過(guò)快會(huì)導(dǎo)致右側(cè)試管溶液上端的銅離子較少，滴加氫氧化鈉后生成的氫氧化銅就較少，現(xiàn)象沒(méi)那么明顯。此時(shí)，可通過(guò)磁環(huán)用銅絲將溶液攪拌一下，使溶液中的銅離子分布均勻，然后再滴加氫氧化鈉溶液。

（3） 向右側(cè)試管中滴加氫氧化鈉溶液分層的原因是試管口徑較小，溶液不易擴(kuò)散，先滴加的氫氧化鈉與原試管上層溶液中的銅離子反應(yīng)生成藍(lán)色的氫氧化銅絮狀沉淀，該絮狀沉淀阻隔氫氧化鈉與下層溶液繼續(xù)反應(yīng)，從而出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

（4） 銅絲預(yù)先要用砂紙打磨，所用的水以及配制溶液的水均要使用蒸餾水。因?yàn)殂~絲表面通常會(huì)有一層聚氯乙烯，在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成氯離子，且自來(lái)水中含有氯離子，若溶液中氯離子濃度過(guò)高，會(huì)生成黃色的［CuCl4］2-，與水合銅離子的藍(lán)色混合，從而使溶液呈現(xiàn)綠色［6］，在滴加氫氧化鈉溶液后，對(duì)藍(lán)色沉淀的觀察會(huì)造成一定的干擾影響。

參考文獻(xiàn)：

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