銅與濃硫酸反應實驗方案的新設計

陳海濤

摘要：針對銅與濃硫酸反應實驗存在的不足，提出一套新的改進方案。在試管外用磁鐵吸引試管內的封鐵玻璃管，帶動繞成螺旋狀的銅絲沿著試管內壁上下滑動，可使銅和濃硫酸分離或接觸，及時控制該反應的停止或發生。新改進的實驗儀器裝置簡單、操作方便、節約藥品、安全環保。

關鍵詞：銅與濃硫酸；控制反應；實驗改進

文章編號：1005–6629（2015）10–0065–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

銅與濃硫酸反應是高中化學的重要演示實驗之一。新課程3個版本的化學教科書對銅與濃硫酸反應的實驗進行了不同的設計，但在實際操作中仍有若干不足之處。下面先對教科書以及文獻中的某些改進實驗作一簡要分析。

1.1 新課程教科書中選用的銅與濃硫酸反應實驗

1.1.1 蘇教版教材[1]

（1）在觀察到品紅溶液褪色后，不能立刻使銅片和濃硫酸分離而使反應停止。

（2）為了防止倒吸，必須先把導管從品紅溶液中取出后再停止加熱，由于此時銅與濃硫酸接觸仍然在發生反應，產生的二氧化硫直接擴散到空氣中污染空氣，影響師生身體健康。

（3）試管和導管里充滿了二氧化硫，檢驗銅片和濃硫酸反應的產物硫酸銅時，打開單孔塞后，二氧化硫直接擴散到空氣中污染空氣，影響師生身體健康。

1.1.2 上科版教材[2]

沒有加熱裝置，該反應非常緩慢，所需時間太長，不適合做課堂演示實驗。

1.1.3 人教版教材[3]

（1）銅絲從膠塞側面挖的凹槽進入試管，由于摩擦很大，若銅絲細則會拉斷，若銅絲粗則有時會拉掉膠塞，實際操作中非常不便。

（2）缺少尾氣吸收裝置，產生的二氧化硫直接擴散到空氣中污染空氣，影響師生身體健康。

（3）試管和導管里充滿了二氧化硫，檢驗銅片和濃硫酸反應的產物硫酸銅時，打開單孔塞后二氧化硫直接擴散到空氣中污染空氣，影響師生身體健康。

1.2 部分文獻中介紹的改進方案

文獻上介紹的一些改進方案有各自的優點和不足[4～7]。

（1）圖4所示實驗裝置，硅酮膠固化所需時間長，制作不方便。硅酮膠和塑料管都不耐熱，很難第二次使用。塑料管很軟，插入膠塞中又不漏氣很難辦到。蘸有氫氧化鈉溶液的棉球中氫氧化鈉溶液量不好控制，氫氧化鈉溶液少則吸收二氧化硫效果不好，氫氧化鈉溶液多會流入品紅溶液中與通入的二氧化硫反應影響實驗。

（2）圖5所示實驗裝置，可以防止倒吸，能減少試管和導管中殘留的二氧化硫氣體，但無法實現銅片和濃硫酸分離而使反應停止。

（3）圖6所示實驗裝置，能實現銅與濃硫酸的分離而使反應停止，也解決了防倒吸問題和裝置中殘留二氧化硫的問題，但將銅絲抽離濃硫酸時不夠方便。

（4）圖7所示實驗裝置，用磁鐵吸引鐵釘帶動銅絲實現了銅絲和濃硫酸的分離或接觸，從而實現該反應的停止或發生。解決了防倒吸問題，但仍有不足：①條形磁鐵太大，不能貼附在試管外壁，始終用手拿著吸引鐵釘，操作時不方便。②加熱時濃硫酸沸騰會接觸到裸露的鐵釘干擾實驗。③沒能解決裝置中殘留的二氧化硫問題。

通過上述對新課程不同版本的教科書以及某些文獻中銅與濃硫酸反應改進實驗的比較分析，筆者經過反復實驗和不斷改進，吸收優點，彌補不足，提出了比較理想的改進方案：使用封鐵玻璃管，可避免鐵與濃硫酸接觸反應；使用從包裝盒上拆下的質量小、磁性強的小磁鐵，能吸引繞著銅絲的封鐵玻璃管停留在試管內壁的任意位置，隨意控制該反應的發生或停止。

2 實驗原理

2.1 及時控制反應的發生與停止

在試管外用小磁鐵吸引試管內的封鐵玻璃管，帶動繞成螺旋狀的銅絲沿著試管內壁上下滑動，實現了銅和濃硫酸的分離或接觸，從而控制該反應的停止或發生。小磁鐵和封鐵玻璃管的質量都很小，但兩者間的引力卻相對較大。在兩者之間的引力及兩者與試管壁摩擦力的作用下，可使繞著銅絲的封鐵玻璃管停留在試管內壁的任意位置，即可以隨意控制該反應的發生或停止。將鐵絲密封在小玻璃管內是為了防止鐵與濃硫酸接觸反應。用酒精噴燈加熱膠頭滴管的玻璃管就能很容易將鐵絲封裝在玻璃管中。實驗中小磁鐵的來源，可以提前發動學生收集某些包裝盒上的小磁鐵或廢舊耳機上的磁鐵。小磁鐵直徑10～20mm，厚度1～3mm較合適。如果收集到的磁鐵直徑小，可以幾個疊在一起使用。

2.2 防止倒吸和污染

觀察到品紅溶液褪色后，向試管口方向滑動小磁鐵，使銅和濃硫酸分離而使反應停止。用氣球打氣筒向盛有濃硫酸的試管中打氣，不僅可以防止倒吸，還可以使試管和導管里殘留的二氧化硫在空氣的驅動下導入氫氧化鈉溶液中被吸收以防止污染空氣。

3 實驗器材和藥品

（1）器材：帶鐵夾的鐵架臺（三個）、大試管（三支）、酒精燈或酒精噴燈、雙孔塞（兩個）、橡膠管（兩個短的、一個長的）、氣球打氣筒、小磁鐵（禮品盒或廢舊耳機拆下的）、鐵絲或去掉釘帽的鐵釘（直徑3～5mm，長約30mm較合適）、膠頭滴管。

（2）藥品：濃硫酸、銅絲、品紅溶液、氫氧化鈉溶液。

（3）制作封鐵玻璃管：把膠頭滴管去掉膠頭，作為玻璃管用（或直接用細玻璃管）。取直徑3～5mm，長約30mm的鐵絲，放在玻璃管內靠近較細端。用兩把鑷子分別夾住玻璃管的兩端，在酒精燈或酒精噴燈上先預熱，再左右移動加熱鐵絲部位的玻璃管。當玻璃管變軟后拉伸，先使細端封好，再燒圓。用鑷子側面較平整部位趁熱壓一下燒圓的端頭，就會使端頭變粗，形成一個玻璃疙瘩，便于纏繞銅絲，以免銅絲滑落。再繼續加熱鐵絲部位的玻璃管中間部位和另一端，變軟后拉伸，先使另一端封好，再燒圓，用鑷子側面較平整部位壓一下，也形成一個玻璃疙瘩。到此，鐵絲就被密封在玻璃管內了，而且兩端都有小玻璃疙瘩，就像一個小啞鈴，銅絲纏繞其上就不易脫落。由于玻璃加熱到一定溫度有變軟且粘稠的特性，故特別容易加工。

4 實驗裝置圖

如圖8所示。

5 實驗操作步驟

（1）如圖8連接好實驗裝置，檢查并確保裝置的氣密性。

（2）分別向三支大試管中加入5mL 98%的濃硫酸、品紅溶液、濃氫氧化鈉溶液，用鐵夾夾好。

（3）截取一段約30cm的銅絲，纏繞在封鐵玻璃管上。將封鐵玻璃管沿大試管內壁滑入大試管內，在大試管外用小磁鐵吸引，調整銅絲位置在試管中上部。

（4）用酒精燈先預熱再集中在盛濃硫酸試管底部加熱至沸騰。

（5）拿掉小磁鐵，封鐵玻璃管沿大試管內壁滑入大試管底部，銅絲與濃硫酸反應。

（6）品紅溶液褪色后，用小磁鐵吸引，并且沿著試管外壁向管口方向滑動，使繞成螺旋狀的銅絲與濃硫酸分開，反應停止。

（7）用氣球打氣筒打氣。將裝置內殘留的二氧化硫氣體排出到氫氧化鈉溶液中被吸收，熄滅酒精燈，再打氣幾次。

（8）待盛濃硫酸的大試管冷卻后，把試管里的部分液體慢慢倒入盛有少量水的另一支試管里，觀察溶液顏色。

6 實驗改進后的優點

（1）在試管外用小磁鐵吸引試管內的封鐵玻璃管，能夠及時控制該反應的發生或停止。小磁鐵和封鐵玻璃管能夠停留在試管壁的任意位置，操作非常方便。

（2）實驗器材簡單易得，封鐵玻璃管易于加工，實驗原理簡單，學生容易理解和接受。

（3）小磁鐵和封鐵玻璃管在實驗中不易損壞。該裝置可以反復使用，下次實驗只需添加銅絲，更換藥品，連續幾個班級演示實驗都不成問題。

（4）用氣球打氣筒向盛有濃硫酸的試管中打氣，不僅可以防止倒吸，還可以使試管和導管里殘留的二氧化硫氣體在空氣的驅動下進入氫氧化鈉溶液中被吸收，并且加快了試管內液體混合物的冷卻速度，縮短了演示實驗的時間。

（5）整個實驗過程中氣密性較好，二氧化硫逸出到空氣中的量很少，不會影響師生的身體健康，不污染環境。

（6）發動學生收集實驗中使用的小磁鐵和氣球打氣筒，使學生能夠參與到實驗準備活動當中，能較好地激發學生的學習興趣和主觀能動性。

參考文獻：

[1]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：92.

[2]黃金國主編.高級中學課本《化學》高中一年級第二學期（試用本）[M].上海：上海科學技術出版社，2009：15.

[3]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2010：101.

[4]伍強等.濃硫酸與銅反應實驗的綠色化改進[J].化學教學，2014，（4）：49～50.

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[6]何自航等.銅與濃硫酸反應實驗的改進[J].化學教學，2012，（3）：49～50.

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