銅和濃硫酸反應(yīng)的一體化新設(shè)計(jì)

西華師范大學(xué)化學(xué)教育研究所(637000) 周于莉 彭新月 四川省南充市白塔中學(xué)(637100) 田 權(quán)

銅與濃硫酸反應(yīng)選自人教版必修2第1單元第1節(jié)“硫及其化合物”,《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》[1]對(duì)該部分的要求是:對(duì)不同含硫價(jià)態(tài)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化進(jìn)行探究,學(xué)生能夠例舉、描述、辨識(shí)典型物質(zhì)重要的物理和化學(xué)性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,能用化學(xué)方程式表示典型物質(zhì)的主要化學(xué)性質(zhì)。通過(guò)銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠掌握濃硫酸的強(qiáng)氧化性、驗(yàn)證產(chǎn)物二氧化硫的還原性、漂白性和酸性。

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,通過(guò)實(shí)驗(yàn)的直觀(guān)展示可以提高教學(xué)的趣味性、學(xué)生的探索欲,但由于大多數(shù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)存在一定的危險(xiǎn)性,所以中學(xué)實(shí)驗(yàn)通常以教師演示為主,這就要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、便于操作、無(wú)污染物。銅與濃硫酸反應(yīng)是高中化學(xué)非常重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn),值得對(duì)其進(jìn)行探究。

1 研究背景

1.1 教材實(shí)驗(yàn)分析

1.1.1 人教版教材實(shí)驗(yàn)分析[2]

人教版教材實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)存在以下缺點(diǎn):①抽拉銅絲容易受到橡膠塞的阻力,不便于控制反應(yīng)的發(fā)生與停止;②該實(shí)驗(yàn)性質(zhì)檢驗(yàn)用品紅溶液和石蕊試液,浪費(fèi)藥品。

圖1 人教版Cu與濃硫酸反應(yīng)裝置圖

1.1.2 蘇教版教材實(shí)驗(yàn)分析[3]

蘇教版銅與濃硫酸反應(yīng)裝置圖如圖2所示。該反應(yīng)裝置簡(jiǎn)單,操作方便。但存在以下幾個(gè)弊端:①尾氣處理裝置不當(dāng)。SO2在水中的溶解性極好,若先撤酒精燈,則容易造成倒吸,若先撤導(dǎo)管,SO2則容易逸出,污染空氣;②反應(yīng)結(jié)束后,試管中的SO2沒(méi)有得到處理,會(huì)逸出污染空氣。

圖2 蘇教版Cu與濃硫酸反應(yīng)裝置圖

1.1.3 滬教版教材實(shí)驗(yàn)分析[4]

滬教版銅與濃硫酸反應(yīng)裝置圖如圖3所示。該設(shè)計(jì)與蘇教版教材極為相似,但在蘇教版基礎(chǔ)上多了一個(gè)抽氣裝置,可以將試管中的SO2完全吸收,防止污染空氣。但該裝置仍然存在僅探討了SO2的漂白性,不利于學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)SO2的還原性、酸性的缺點(diǎn)。

圖3 滬教版Cu與濃硫酸反應(yīng)裝置圖

1.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)以上缺點(diǎn),目前已經(jīng)有不少人對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。主要分為探究不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)反應(yīng)的影響和對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。

探究不同實(shí)驗(yàn)條件主要是通過(guò)比對(duì)不同酸的用量、反應(yīng)溫度、銅的用量等來(lái)尋找最佳反應(yīng)條件。例如夏立先[5]對(duì)銅與濃硫酸反應(yīng)溶液呈綠色的原因進(jìn)行了探究,最后發(fā)現(xiàn)是氯元素的摻入影響了實(shí)驗(yàn)探究。在實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要注意實(shí)驗(yàn)原料的純度,即打磨銅絲、用蒸餾水清洗實(shí)驗(yàn)儀器;鄭茹丹[6]通過(guò)讓銅與不同濃度的濃硫酸進(jìn)行反應(yīng),得出濃硫酸的濃度不是越大越好,而是存在一定的最佳范圍的結(jié)論。

對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)則是從改進(jìn)反應(yīng)物參與實(shí)驗(yàn)的方式、藥劑的用量、尾氣的處理等角度出發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。例如鞏永銳[7]、 陳海濤[8]的設(shè)計(jì)是通過(guò)磁環(huán)、攪拌子或者制作封鐵玻璃管利用磁力吸引來(lái)控制反應(yīng)的發(fā)生與停止;王丹[9]、張義[10]等人則是通過(guò)針管抽拉與橡膠相連的銅絲來(lái)控制反應(yīng)的發(fā)生與停止,但大多數(shù)還是選擇銅片或銅粉與酸直接接觸保證絕對(duì)封閉性來(lái)進(jìn)行反應(yīng);王春[11]、曾廣勇[12]等人通過(guò)1根防倒吸的導(dǎo)管將尾氣插入到氫氧化鈉溶液中進(jìn)行尾氣吸收。

通過(guò)以上文獻(xiàn)分析,我們可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)仍然存在不少缺點(diǎn)。例如反應(yīng)裝置復(fù)雜,前期準(zhǔn)備工作較多;SO2的性質(zhì)檢驗(yàn)不全,不利于學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí);尾氣處理不當(dāng),容易污染空氣?；诖?筆者提出了一個(gè)簡(jiǎn)單易行、一體化封閉設(shè)計(jì)、零污染的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

(1)實(shí)驗(yàn)藥品:Cu粉、濃硫酸、NaOH溶液、紫色石蕊溶液、高錳酸鉀溶液、品紅溶液。

(2)實(shí)驗(yàn)儀器:U形管、球形干燥管、鐵架臺(tái)、酒精燈、脫脂棉團(tuán)、細(xì)線(xiàn)、橡皮塞、橡膠管、打氣筒、大頭針。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 Cu與濃硫酸反應(yīng)裝置改進(jìn)圖

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)首先,按照?qǐng)D4搭建好反應(yīng)裝置圖。將大頭針穿過(guò)脫脂棉團(tuán)后彎曲交叉,重復(fù)完成3個(gè)這種脫脂棉團(tuán)。然后先用蒸餾水將這3個(gè)脫脂棉團(tuán)微微潤(rùn)濕,然后滴加適量的試劑使棉團(tuán)著色即可,防止試劑過(guò)量各棉團(tuán)浸潤(rùn)的溶液滴落造成干擾。最后用細(xì)線(xiàn)將這3個(gè)脫脂棉團(tuán)串起來(lái),將細(xì)線(xiàn)固定在塞子和試管的夾縫處。

(2)裝置搭建好以后,點(diǎn)燃酒精燈對(duì)U形管進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱結(jié)束后用酒精燈外焰對(duì)U形管底部集中加熱產(chǎn)SO2。

(3)觀(guān)察到3個(gè)脫脂棉團(tuán)從上到下依次由紅色變?yōu)闊o(wú)色、紫色變?yōu)榧t色、紫色變?yōu)闊o(wú)色時(shí)反應(yīng)結(jié)束停止加熱。

(4)反應(yīng)結(jié)束后用打氣筒打氣將瓶?jī)?nèi)和管道內(nèi)的SO2氣體全部送到干燥管內(nèi)的蘸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉團(tuán)處(以使SO2被充分吸收)。

2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

學(xué)生通過(guò)研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化,回憶所學(xué)知識(shí),尋找證據(jù)來(lái)支撐自己的猜想,獲取知識(shí)的本質(zhì),同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)來(lái)鞏固知識(shí)。在驗(yàn)證產(chǎn)物SO2化學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)小實(shí)驗(yàn)中,顏色變化非常復(fù)雜。脫脂棉團(tuán)“一褪兩變”:2個(gè)紫色脫脂棉球在同等條件下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后卻發(fā)生了不同的變化形成鮮明對(duì)比。學(xué)生因此會(huì)產(chǎn)生疑惑,教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)已學(xué)的知識(shí)來(lái)解釋這種現(xiàn)象:

(1)高錳酸鉀溶液的紫色棉團(tuán),反應(yīng)一段時(shí)間后紫色褪去,證明是具有還原性的物質(zhì)與高錳酸鉀溶液之間發(fā)生了氧化還原反應(yīng),因此證明產(chǎn)生的氣體是SO2,非SO3。

褪色原理:2KMnO4+5SO2+2H2O=2MnSO4+2H2SO4+K2SO4。

(2)蘸有紫色石蕊試液的脫脂棉團(tuán),反應(yīng)一段時(shí)間后變紅,證明SO2是酸性氣體,與水反應(yīng)生成了能使石蕊變色的物質(zhì)H2SO3,如圖5所示。

圖5 SO2溶于水

(3)蘸有品紅溶液的脫脂棉團(tuán),由紅色變?yōu)闊o(wú)色。說(shuō)明品紅溶液與SO2化合,生成無(wú)色物質(zhì),如圖6所示。

圖6 SO2與品紅溶液反應(yīng)

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng):本次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)所需的裝置易得,操作簡(jiǎn)單,現(xiàn)象明顯,無(wú)毒無(wú)害。

①為了使實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象變化明顯,可先用蒸餾水將脫脂棉團(tuán)潤(rùn)濕再滴加試劑;②為了說(shuō)明產(chǎn)生的氣體是SO2非SO3,需要將最下面的棉團(tuán)滴加高錳酸鉀溶液。因?yàn)檎河懈咤i酸鉀溶液的脫脂棉團(tuán)褪色,證明了產(chǎn)物具有還原性,所以該氣體是SO2。