濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有教材中濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的不足，如易倒吸、尾氣未處理盡等進(jìn)行改進(jìn)：使用定制的雙邊具支試管作為該反應(yīng)裝置、性質(zhì)檢驗(yàn)裝置以及凈化裝置，

用硅膠塞代替橡膠塞，銅絲可以輕松穿過。避免了橡膠塞打孔使氣密性良好。換用棉團(tuán)浸取試液，可減少藥品用量且效果良好。改進(jìn)后的裝置能有效檢驗(yàn)二氧化硫的還原性、酸性以及漂白性，具有現(xiàn)象明顯、無污染、防止倒吸等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：濃硫酸與銅反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；雙邊具支試管

文章編號(hào)：1005-6629（2024）09-0071-03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

銅和濃硫酸的反應(yīng)及實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中占有重要地位，是認(rèn)識(shí)濃硫酸的氧化性和酸性的重要載體。同時(shí)，作為二氧化硫的制備與性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生進(jìn)行關(guān)于有害氣體的制備與檢驗(yàn)的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)。二氧化硫和硫酸作為硫的重要化合物所呈現(xiàn)出來的特殊性質(zhì)，有助于學(xué)生深入認(rèn)識(shí)化合價(jià)與物質(zhì)性質(zhì)之間的聯(lián)系，從而掌握物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的本原知識(shí)。人教版教材（2019年版）必修二^［1］中設(shè)置的銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)（如圖1所示），存在些許不足：（1）銅絲和橡膠塞之間的摩擦力較大，不易抽拉銅絲，操作困難，容易損壞試管；（2）用一個(gè)浸有氫氧化鈉溶液的棉團(tuán)來吸收多余的二氧化硫是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模?/p>

因?yàn)楫a(chǎn)生的二氧化硫較多、較快，很容易逸出；（3）裝置內(nèi)殘留的二氧化硫未處理，拆卸裝置時(shí)也會(huì)逸出；

（4）沒有設(shè)計(jì)防倒吸裝置，停止加熱時(shí)，品紅溶液會(huì)倒吸進(jìn)入反應(yīng)試管中；（5）探究了二氧化硫的漂白性，但未進(jìn)一步驗(yàn)證其漂白效果的不穩(wěn)定性，而且二氧化硫的還原性也未檢驗(yàn)，這些問題都會(huì)讓學(xué)生感到疑惑。因此，筆者結(jié)合文獻(xiàn)對(duì)

銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了再改進(jìn)。

2 相關(guān)文獻(xiàn)案例評(píng)析

基于圖1實(shí)驗(yàn)裝置的弊端，不少研究者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，在此不妨簡單分析一下幾類具有代表性的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。

方案一^［2］：利用洗耳球排出裝置內(nèi)殘留的SO；使用品紅試紙和石蕊試紙檢驗(yàn)SO；使用80%的硫酸，使容易觀察到藍(lán)色硫酸銅溶液的生成；銅絲通過膠頭滴管插入具支試管，減小了銅絲與膠帽之間的摩擦力。不足之處是：（1）將膠頭滴管穿過橡膠塞的操作過于困難，且很難保證裝置的氣密性；（2）加熱硫酸過程中會(huì)產(chǎn)生大量酸霧進(jìn)入到雙通管里，會(huì)使石蕊試紙變色，從而干擾SO的酸性檢驗(yàn)。

方案二^［3］：通過條形磁鐵吸引鐵釘，能控制反應(yīng)的進(jìn)程，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性；將球形干燥管伸入到氫氧化鈉溶液中，可以充分吸收SO，平衡氣壓，防止倒吸。不足之處是：（1）缺少檢驗(yàn)SO酸性的裝置；（2）高溫下，鐵釘與濃硫酸酸霧接觸也會(huì)反應(yīng)；（3）條形磁鐵需要全程用手控制，操作不便；（4）反應(yīng)裝置里殘留的SO未處理；（5）反應(yīng)后的液體不易呈現(xiàn)明顯的藍(lán)色。

方案三^［4］：使用Y形管實(shí)現(xiàn)了裝置一體化；使用單向閥、雙球安全漏斗等能除去殘留的SO和防倒吸。不足之處是：（1）不能控制反應(yīng)的進(jìn)程，在低溫時(shí)發(fā)生較多副反應(yīng)，生成黑色物質(zhì)；（2）缺少SO的酸性的檢驗(yàn)。

本研究結(jié)合以上文獻(xiàn)的改進(jìn)思路，采用定制的雙邊具支試管作為反應(yīng)、性質(zhì)檢驗(yàn)以及凈化裝置；連接雙聯(lián)打氣球和氣球，使整個(gè)裝置呈封閉狀態(tài)；使用脫脂棉團(tuán)檢驗(yàn)二氧化硫的相關(guān)性質(zhì)，試劑用量少；利用注射器向試管內(nèi)加入蒸餾水對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢驗(yàn)，現(xiàn)象明顯。

3 濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)儀器：雙邊具支試管（三只）、酒精燈、雙聯(lián)打氣球、硅膠塞、氣球、鑷子、注射器（帶針頭）、酒精燈、鐵架臺(tái)、膠頭滴管、火柴、橡膠管、試管

實(shí)驗(yàn)藥品：銅絲、濃硫酸（98%）、品紅溶液、酸性高錳酸鉀溶液、甲基橙溶液、蒸餾水、飽和氫氧化鈉溶液、脫脂棉

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 完整的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。連接好實(shí)驗(yàn)裝置，然后檢驗(yàn)裝置的氣密性。方法為：用雙聯(lián)打氣球向裝置內(nèi)鼓氣，若看到右側(cè)氣球膨脹，則說明氣密性良好。

（2） 用膠頭滴管吸取約2mL濃硫酸于試管1中。

（3） 取一根長約18cm銅絲將下端擰成螺旋狀，上端涂抹一點(diǎn)凡士林然后穿過硅膠塞，將其放在試管1上，此時(shí)調(diào)節(jié)好銅絲的高度，避免銅絲和濃硫酸接觸。

（4） 取三團(tuán)脫脂棉，分別浸潤品紅溶液、甲基橙溶液、酸性高錳酸鉀溶液，然后將其依次放入試管2中，最后在試管2的支管口處放一團(tuán)干燥的脫脂棉^［5］。

（5） 用飽和氫氧化鈉溶液浸潤三團(tuán)脫脂棉，然后將其放入試管3的支管口處，最后在試管3的另一個(gè)支管口套上氣球。

（6） 點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)濃硫酸進(jìn)行加熱至產(chǎn)生大量酸霧，向下推動(dòng)銅絲，讓銅與濃硫酸接觸反應(yīng)。此時(shí)觀察到銅絲和濃硫酸劇烈反應(yīng)，試管1中產(chǎn)生濃霧，銅絲表面產(chǎn)生大量氣泡，試管底部有灰白色固體生成。試管2中酸性高錳酸鉀棉團(tuán)的顏色逐漸退去，最后變成無色；甲基橙棉團(tuán)的顏色由橙色變成紅色，隨著反應(yīng)進(jìn)行，紅色慢慢變深；品紅棉團(tuán)的紅色漸漸變淺，最后退至無色。氣球有些膨脹。

（7） 抽離銅絲，停止加熱，反應(yīng)結(jié)束。用酒精燈對(duì)試管2的品紅棉團(tuán)慢慢加熱，觀察到試管底部內(nèi)壁附著的試液又變成紅色，試液表面上有氣泡產(chǎn)生，棉團(tuán)也逐漸變紅，說明二氧化硫漂白品紅的不穩(wěn)定性。待試管2冷卻后，觀察到品紅棉團(tuán)又退至無色，說明二氧化硫漂白的可逆性。

（8） 用注射器向試管1中加入蒸餾水，靜置，發(fā)現(xiàn)上層清液呈淺藍(lán)色，上下抽拉銅絲對(duì)溶液進(jìn)行攪拌，灰白色固體部分溶解，上層液體藍(lán)色加深。

（9） 用雙聯(lián)打氣球向裝置內(nèi)鼓氣，確保裝置內(nèi)二氧化硫被試管3的氫氧化鈉脫脂棉團(tuán)完全吸收。擠壓氣球，處理來不及被氫氧化鈉棉團(tuán)吸收就逸出到氣球里的二氧化硫。

3.3 關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)說明

（1） 脫脂棉團(tuán)浸潤甲基橙等溶液不宜全浸透，可以借鑷子將面向觀察者這一側(cè)的棉團(tuán)潤濕，另一半保持干松，以便于透氣。試管3中的脫脂棉團(tuán)可以稍稍浸透燒堿溶液，但也要保持透氣。

（2） 實(shí)驗(yàn)開始前，銅絲和濃硫酸之間間隔一定的距離，否則銅絲與酸霧反應(yīng)，表面會(huì)生成黑色物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，應(yīng)將濃硫酸加熱至表面有大量白霧時(shí)，才將銅絲伸入到濃硫酸中，減少副反應(yīng)的發(fā)生。

（3） 實(shí)驗(yàn)前須用砂紙對(duì)銅絲進(jìn)行打磨，不然可能會(huì)觀察到溶液變成綠色，這是因?yàn)閺S家常在銅絲表面加一層聚氯乙烯覆膜，導(dǎo)致反應(yīng)混合物中含有Cl^-，在反應(yīng)體系中形成［CuCl］^2-，與水合銅離子混合呈現(xiàn)綠色^［6］。

3.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1） 用質(zhì)地柔軟且彈力較好的硅膠塞代替橡膠塞，氣密性較好，在銅絲上涂抹凡士林，能夠較好地抽拉銅絲控制反應(yīng)的發(fā)生與停止。

（2） 增加了浸潤飽和氫氧化鈉溶液的棉團(tuán)數(shù)量，能有效吸收多余的二氧化硫同時(shí)可以防止倒吸。用棉團(tuán)分別浸潤品紅等溶液驗(yàn)證二氧化硫的性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)藥品用量較少但現(xiàn)象卻很明顯。

（3） 使用雙聯(lián)打氣球能夠有效排盡裝置內(nèi)殘留的SO，避免污染空氣。

（4） 在裝置結(jié)尾處連接一個(gè)氣球，通過氣球的膨脹程度，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的氣密性。

（5） 利用注射器向試管1中添加蒸餾水，操作簡單，不但可以看到溶液變成藍(lán)色，攪拌之后還能觀察到固體物質(zhì)的溶解情況，從而判斷白色固體是無水硫酸銅。

（6） 以甲基橙溶液作為指示劑，證明了二氧化硫溶液溶于水后呈酸性，還加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)酸堿指示劑的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

［1］王晶，鄭長龍主編．普通高中教科書·化學(xué)（必修）第二冊(cè)［M］．北京：人民教育出版社，2019：5．

［2］李文杰.濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.化學(xué)教學(xué)，2019，（7）：63～65.

［3］魏崇啟.濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)［J］.化學(xué)教學(xué)，2012，（9）：47～49.

［4］張紅衛(wèi).濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.化學(xué)教學(xué)，2020，（1）：67～69.

［5］張苗，萬鑫潔，彭新月.銅與濃硫酸反應(yīng)裝置的新設(shè)計(jì)［J］.化學(xué)教學(xué)，2023，（11）：65～68.

［6］王春.銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)異常現(xiàn)象的探究及裝置的新設(shè)計(jì)［J］.化學(xué)教學(xué)，2020，（11）：76～79.