濃硫酸與銅反應實驗的改進

李文杰

摘要： 針對高一人教版《化學1》教材中濃硫酸與銅反應實驗存在的一些不足，在前人工作的基礎上對實驗裝置及實驗方法作進一步改進。實現了銅絲插入沸騰的濃硫酸溶液中，5秒便可觀察到石蕊試紙變紅，10秒可觀察到藍色硫酸銅溶液生成，20秒可觀察到品紅試紙褪色，實驗用時短，現象明顯，重現性好。整套實驗裝置簡單，取材制作方便，操作簡潔，節約藥品，有利環保，易于推廣。

關鍵詞： 濃硫酸; 濃硫酸與銅反應; 實驗改進

文章編號： 10056629（2019）7006303中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題的提出

在硫元素的知識體系中比較重要的是含氧酸和氧化物。硫酸是硫元素的最高價氧化物的水化物，是重要的含氧酸。硫酸具有酸的通性，又有自己的特性。濃硫酸的主干知識是強氧化性，它能與絕大多數金屬反應，也能與一些非金屬反應，反應的特點是濃硫酸的硫元素被還原生成硫的氧化物。

關于高一人教版《化學1》教材第四章第四節實驗49“濃硫酸與銅反應實驗”[1]，若按教材裝置進行實驗存在以下不足： （1）教材采用的是98%的硫酸與銅反應，實驗中往往不能直接看到藍色硫酸銅溶液的生成，或者在硫酸銅溶液中有黑色物質生成影響溶液顏色的觀察。同時，必須等到反應結束將反應物冷卻，才能將反應后的液體倒入另一支盛有水的試管中。實驗時間耗時較長，大概5～8分鐘，操作又煩瑣，導致教學環節松散，影響教學效果。（2）在驗證反應生成氣體是SO2時，需要將導氣管伸入盛有石蕊、品紅溶液的試管中，而SO2易溶于水，易發生倒吸，存在安全隱患。（3）實驗裝置屬于半敞開式，每一次實驗都會造成SO2氣體的泄漏，造成環境污染。綜上所述，對教材裝置進行實驗改進就顯得尤為重要了。

2 研究現狀

針對以上不足，不少人在不斷實踐中對本實驗進行了改進和創新，比如為了減少產生黑色物質，楊麗君[2]等人通過調整濃硫酸、銅片的用量和加熱的時間，達到了較好的效果，但仍未能解決對反應進程的控制;陳文興等人[3]利用銅絲控制反應的快慢，通過調整硫酸的濃度，不僅不產生黑色物質，還能觀察到有藍色硫酸銅溶液的生成，但對問題（2）、（3）處理得不夠理想;對于SO2氣體的檢驗及尾氣處理，在品紅、石蕊溶液前后增加防倒吸裝置，并用氫氧化鈉溶液作尾氣吸收處

理[4～6];也有直接將品紅、石蕊溶液改為品紅、石蕊試紙，從根本上解決倒吸的問題，但是有可能造成堵塞且不容易操作，將品紅試紙放置在導管中[7，8]，現象不容易觀察，將品紅、石蕊試紙平放在硬質玻璃管中，在解決問題的同時也帶來了一些不便;而最新的兩篇文章[9，10]通過巧妙組合、精心設計，克服了很多不足，楊麗娟等人的改進裝置，可以隨時終止反應，但是抽取銅絲時，不可避免有SO2氣體的逸出。兩篇文章的改進裝置都存在不能直接看到藍色硫酸銅溶液的生成，仍需將冷卻后的反應液倒入盛有水的燒杯中或向冷卻后的反應液中注入溫水，操作繁瑣，用時較長;另外，用到干燥管和Y型管，取材相對不容易，不便推廣到條件一般的學校。

3 設計理念

在化學實驗教學中，不僅要重視知識的建構，也要重視環境教育。實驗是進行科學研究的重要方式，一個實驗若操作簡單、現象明顯、用時少，無疑對40分鐘的課堂教學是非常有意義的。強氧化性是濃硫酸的主干知識，教材中采用實驗進行建構，用圖示進行深化，用化學方程式進行強化，進而讓學生更好地理解和掌握濃硫酸的性質。

（1） 實驗是為教學服務的，引導學生透過實驗現象看本質。結合第二章學過的氧化還原反應，課堂設計的演示實驗或者分組實驗盡可能讓學生在較短時間內，觀察銅離子的藍色溶液、SO2使品紅褪色等直觀現象。通過描述現象，準確書寫化學方程式，便于學生深刻認識和理解銅與濃硫酸的反應。

（2） 既然濃硫酸與銅反應是一個定性實驗，同時還有SO2產生，就有必要讓實驗裝置簡易化、綠色化，盡可能節約實驗藥品，縮短實驗時間，加深學生對SO2的危害以及防治措施的記憶，鞏固SO2的相關知識。

（3） 教材上濃硫酸與銅的反應過程中，濃硫酸既體現強氧化性，又體現吸水性。只是在本實驗中，濃硫酸在體現強氧化性和吸水性時，如何通過原理創新，調整實驗現象，讓學生先得到所要觀察的現象（銅離子的藍色溶液、SO2使品紅溶液褪色），體現濃硫酸的強氧化性，等實驗結束后5～8分鐘，或者下課前幾分鐘，讓學生對比觀察反應時溶液的顏色與實驗結束5～8分鐘后溶液的顏色，引導學生通過對比現象，體現濃硫酸的特性——吸水性。考慮到以上三點，可在實驗的反應條件、實驗原理和裝置上作進一步的改進。

4 實驗改進

4.1 實驗儀器及用品

儀器： 鐵架臺（帶鐵夾）、酒精燈、具支試管、導管、洗耳球、夾子、膠頭滴管、橡皮塞、（用長試管加工的）雙通管用品： 80%濃硫酸、碎瓷片、銅絲、石蕊試紙、品紅試紙、NaOH溶液、脫脂棉、蒸餾水

4.2 實驗改進要點

（1） 將銅絲經膠頭滴管穿過橡膠塞插入的具支試管，制成濃硫酸與銅的反應裝置。利用《化學1》教材剛剛學過的氨溶于水的噴泉實驗中帶有玻璃管和滴管的塞子，銅絲穿過膠頭滴管，不僅避免了SO2的逸出，也起到了一器多用，培養學生的創新意識。

（2） 將濕潤的品紅、石蕊試紙，蘸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉放置在雙通管中代替盛有品紅、石蕊溶液的試管，制成SO2氣體的驗證裝置與尾氣處理裝置。其中雙通管可以由實驗室常用的長試管直接加工： 在酒精噴燈加熱下，用螺絲刀在試管底部穿一個小孔，取材、制作方便，尾氣吸收也更加充分。

（3） 將98%的濃硫酸稀釋為80%，作為反應液。

4.3 實驗裝置圖

4.4 實驗過程及實驗現象

（1） 在具支試管中加入3mL 80%的硫酸，將濕潤的品紅、石蕊試紙，蘸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉放置在雙通管中。按圖1將儀器安裝好，固定在鐵架臺上。

（2） 加熱具支試管中的硫酸至沸騰，用時約1分鐘，將銅絲插入沸騰的硫酸溶液中，5秒便可觀察到石蕊試紙變紅，10秒觀察到藍色硫酸銅溶液生成，移開酒精燈，20秒可觀察到品紅試紙褪色。抽離銅絲，反應逐漸停止。

（3） 點燃酒精燈，微熱品紅試紙，試紙逐漸變紅，驗證SO2氣體使品紅試紙褪色具有不穩定性。

（4） 打開夾子，用洗耳球將空氣經導管慢慢打入具支試管中，使得裝置中殘留的SO2氣體被雙通管中蘸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉充分吸收，提醒學生再次觀察品紅試紙褪色，加深學生對SO2氣體性質的理解。

（5） 教師點評完學生書寫的反應的化學方程式后，通過手機或投影投屏，提醒學生觀察具支試管內溶液的顏色變化，觀察到藍色明顯變淺（若在下課前幾分鐘讓學生觀察效果更好）同時試管底部也有白色固體生成，體會濃硫酸的吸水性。

4.5 改進實驗的效果和要點

（1） 利用《化學1》教材剛剛學過的噴泉實驗中帶有玻璃管和滴管的塞子改進的濃硫酸與銅的反應裝置，銅絲與產生的SO2氣體各行其道，互不干擾，不僅便于抽取銅絲，能更好地控制反應進程，還能避免產生的SO2氣體的逸出污染空氣，起到一器多用，培養學生創新意識的作用。

（2） 改進的SO2氣體的驗證裝置與尾氣處理裝置： ①把兩個分散的驗證性質實驗改成連續進行且試劑微量化、可視化實驗，使操作更簡單且節約藥品、減少器材;②有效避免由于SO2易溶于水，造成的試管內液體倒吸，引起試管炸裂等嚴重后果，有效保障了實驗的安全性。

（3） 從反應的發生到結束，整套實驗裝置有效降低了污染，培養了學生的環保意識。

（4） 將98%的濃硫酸稀釋為80%，銅絲插入沸騰的濃硫酸時，便可清晰觀察到藍色的硫酸銅溶液生成，操作簡單，用時短，安全性好。

總之，整套實驗裝置簡單，取材、制作方便，操作簡潔，有利環保。實驗周期短，現象明顯，重現性好，易于推廣。在強化實驗教學效果的同時，能有效降低污染，保障實驗的安全性，進而培養學生的創新意識、安全意識和環保意識。讓學生感到環境問題就發生在自己身邊，從而提高保護環境的社會責任感。

參考文獻：

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