銅和濃硫酸反應實驗裝置的優化設計

劉林 廖鈁

[摘 要] 針對中學教材中銅和濃硫酸實驗存在的不足，對實驗裝置和反應物進行了改進。實驗改進后，能夠在加快反應速率的同時控制反應發生進度，還能極大地減少污染物的排放，體現綠色化學理念。此外，改進后的實驗裝置還適用于銅和濃硝酸相關的化學反應，達到一器多用的效果。

[關 鍵 詞] 銅和濃硫酸反應；實驗改進；優化設計

[中圖分類號] O6-3 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）22-0080-01

銅和濃硫酸反應是現行人教版化學教材中非常重要的一個演示實驗，它體現了濃硫酸的強氧化性，也易于加深學生對氧化還原反應的理解。關于銅和濃硫酸的反應，許多化學教師對實驗進行了改進。從總體上來看，改進方向分為以下兩個方面：對反應可控性的改進；對SO2氣體性質檢驗方法以及尾氣吸收裝置的改進等。筆者就教材中銅和濃硫酸反應演示實驗存在的不足之處對其進行了總結歸納：將銅絲與濃硫酸一起加熱，由于銅與濃硫酸反應較為復雜，不同的溫度下會產生諸多副反應，影響藍色溶液的觀察；銅絲與濃硫酸接觸面積小，會對反應速率造成一定的影響；當銅與濃硫酸反應產生的氣體量減少時，會發生倒吸現象；裝置未對尾氣進行處理，SO2具有刺激性氣味，直接排入空氣中，不僅會影響師生健康，還會污染環境，不利于加強學生的環保意識；將冷卻后的液體傾倒入盛有少量水的試管中，這個過程中也存在一定量的SO2氣體外溢，不符合綠色化學的理念。

針對上述問題，筆者在將濃硫酸加熱至沸騰的情況下，以減少副產物、加快反應速率、體現綠色化學理念等為目的，對實驗裝置以及反應物做出了改進。

一、實驗儀器與藥品

1.儀器：鐵架臺、十字夾、鐵夾、鐵圈、三頸燒瓶、酒精燈、石棉網、玻璃導管、試管、單聯球、醫用注射器、止水夾、橡膠塞、脫脂棉若干、橡膠管。

2.藥品：濃硫酸、銅絲、銅片、品紅溶液、氫氧化鈉溶液、蒸餾水。

二、實驗裝置（鐵架臺、十字夾、鐵夾、鐵圈、酒精燈已略去）

三、實驗過程

1.如圖所示，連接好實驗裝置，并檢查裝置的氣密性。

2.反應物加工：將10厘米長的銅絲穿過1.5 mm×1.5 mm的銅片中心，使銅片固定在銅絲最下端。

3.調整好帶有銅片的銅絲伸入三頸燒瓶中的長度，使銅片位于三頸燒瓶中部。

4.向三頸燒瓶中加入4 mL98%的濃硫酸；試管中加入品紅溶液，注射器分別裝入蒸餾水、氫氧化鈉溶液。

5.點燃酒精燈，先預熱再集中加熱三頸燒瓶底部至濃硫酸沸騰。

6.撤去酒精燈，將帶有銅片的銅絲立即插入濃硫酸溶液中，使銅片與濃硫酸溶液完全接觸，反應開始。

7.待品紅溶液褪色，將銅絲向上拉，使銅片與濃硫酸分離，反應停止。

8.打開止水夾，用單聯球向三頸燒瓶中鼓氣四至五次。

9.待溶液冷卻后，將注射器中的水注入三頸燒瓶，觀察溶液顏色。

10.向三頸燒瓶和試管中注入氫氧化鈉溶液，吸收多余的SO2。

四、實驗改進后的優點

1.將銅片固定在銅絲下端，既增大了銅與濃硫酸的接觸面積，加快了反應速率，又能隨時控制反應的發生與停止。

2.使用三頸燒瓶和注射器結合，不需再將反應后的溶液倒入盛有水的試管中，將水注入三頸燒瓶就能觀察到溶液顏色變藍，避免了在傾倒過程中SO2氣體外溢。

3.加入單聯球，在反應后期產生的氣體較少時，向三頸燒瓶中注入空氣，可以防止品紅溶液倒吸。

4.反應結束后，向三頸燒瓶與試管中注入氫氧化鈉溶液進行尾氣吸收，能夠有效地減少一部分氣體外溢。

5.該裝置還可用于銅與濃硝酸相關的反應。僅在一個容器內就能實現銅與濃硝酸、銅與稀硝酸、二氧化氮與水、二氧化氮與一氧化氮之間的轉換等諸多反應，達到一器多用、現象明顯、綠色環保的效果。

參考文獻：

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