銅與濃硫酸反應一體化演示實驗可視儀器

祁校駿

高中化學中對銅和濃硫酸的反應開始了逐步的探究，體現了濃硫酸的強氧化性和酸性，使學生的化學知識進一步升華。在此實驗中，各種物質特殊性質只能分別逐一實驗驗證，實驗時間較長，儀器組裝及操作復雜，實驗重復性強，產生的SO₂氣體容易擴散到空氣中造成污染，不利于學生形成嚴謹的科學實驗探究精神。基于此種情況，我設計了“銅與濃硫酸反應一體化演示實驗可視儀器”，將多種物質性質演示整合在一套實驗裝置中，實驗現象明顯，具有很強的對比性，儀器組裝及操作簡便，藥品利用率高，安全實用，避免SO₂擴散到空氣中造成污染，可在較短時間內高效完成連續多步可視實驗。裝置可完成銅與濃硫酸和稀硫酸反應的對比，還能完成SO₂氣體與高錳酸鉀溶液的反應（還原性驗證）和品紅溶液暫時褪色反應（暫時漂白性驗證）、濃硫酸稀釋放熱的現象，以及Cu²⁺顏色隨濃度變化的一體化可視實驗，完善了高中化學教學中的一體化實驗。

核心儀器特點及原理

儀器特點

對比反應一體化試管（如圖1）：采用2支具支試管的特殊連接，用斜坡連通管將1大、1小的具支試管連在一起，并采用加固桿形成三角連接加固裝置，根據力學原理三角形設計更加堅固。大試管中加入濃硫酸，加熱膨脹，通過斜坡連通管由低處向高處進入到小試管的蒸餾水中，完成酸溶液的濃度的變化，同時符合濃硫酸稀釋“酸入水的原理”，形成明顯對比實驗；再利用生成的SO₂氣體，使壓強增大的大試管中生成的硫酸銅溶液，通過斜坡連通管由低處向高處壓入到小試管中，觀察到銅離子溶液顏色由深綠色向藍色轉變，形成明顯對比現象。

氣體反應加液一體化漏斗（如圖2）：采用可控加液漏斗，并在漏斗頸部再用“上進下出與溶液反應在上部吸收及導氣”的原理進行氣體性質驗證容器，形成一體化反應及加液裝置，簡化了復雜的傳統儀器串聯裝置，更適宜組裝及同時開展多步化學實驗。

儀器裝置實物圖及實驗說明

此實驗儀器可完成銅與濃硫酸和稀硫酸反應的對比，還能完成SO₂氣體與高錳酸鉀溶液的反應（還原性驗證）和品紅溶液暫時褪色（暫時漂白性驗證）的反應、濃硫酸稀釋放熱的現象，以及Cu²⁺顏色隨濃度變化的一體化實驗。此套獨創裝置，新穎易組裝，操作簡便，現象明顯，儀器安全，實用性強，在短時間內可完成多種探究實驗。儀器裝置實物圖及實驗說明如圖3所示。

實驗步驟

組裝儀器，并進行局部氣密性驗證。

在對比反應一體化試管中加入銅片，并在小試管中加入少量蒸餾水（5mL）；氣體反應加液一體化漏斗中添加98%濃硫酸25mL。

打開漏斗上部玻璃瓶塞，轉動活塞，向大試管內加入20mL濃硫酸。

點燃酒精燈加熱大試管，濃硫酸受熱膨脹，部分進入小試管。

生成的氣體使滴加酸性高錳酸鉀濾紙褪色及品紅溶液完全褪色后，用止水夾密封a和c之間的橡膠管。

生成的氣體將大試管中硫酸銅溶液緩慢壓入到小試管，觀察顏色變化。

熄滅酒精燈。

將外徑容器中褪色的品紅溶液加熱，觀察溶液顏色變化。

實驗完畢，冷卻拆分裝置。

創新點或改進點

利用獨創設計的“氣體反應加液一體化漏斗”“對比反應一體化試管”和尾氣處理裝置組合成一套可視化多種性質演示儀器，順利實現觀察銅與濃硫酸反應、SO₂性質和Cu²溶液顏色隨濃度變化而變化，以及硫酸濃度變化性質改變的一系列特殊性質的實驗演示，為高中化學教學提供了一套組裝簡單、操作簡易、實驗現象明顯、易于教學的實驗儀器。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目原理科學，構思巧妙。在一體化可視實驗中呈現多種物質的化學性質，操作簡易，制作規范，教學效果明顯，有示范推廣價值。希望該項目在工藝方面進一步提高。