濃硫酸與銅反應實驗的改進

張紅衛

摘要： 濃硫酸與銅反應的實驗是體現濃硫酸具有強氧化性的重要實驗。針對現行三套教材中該實驗和文獻中若干改進實驗存在的不足提出新的改進方案。用Y型管做反應容器;用針筒注水、雙聯打氣球打氣來排盡裝置內殘存的SO2，并用雙球漏斗內堿液吸收。新的改進實驗集成度高、操作簡便、現象明顯、綠色環保。

關鍵詞： 濃硫酸與銅反應; Y型管; 雙聯打氣球; 雙球漏斗; 實驗裝置改進

文章編號： 10056629（2020）01006703

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1教材中的實驗概述

濃硫酸與銅反應的實驗是體現濃硫酸具有強氧化性的重要實驗。我國現有3個版本的高中化學教材編排了該實驗，并進行了不同的設計。

1.1人教版教材

人教版

教材實驗裝置如圖1（夾持裝置已略去，下同）所示[1]。該實驗方案操作簡便、現象明顯，但存在的不足之處是： 實驗裝置的氣密性和抽拉銅絲的靈活性不易兼顧，在多次使用后尤甚;缺少尾氣處理裝置，SO2外逸明顯;檢驗產物CuSO4時，需拔掉橡皮塞，殘存在裝置內的SO2直接擴散到空氣中。

1.2上科版教材

上科版

教材實驗裝置如圖2所示[2]。該實驗方案雖有相同優點，

但在實際操作中也有不足： 一般學校無抽氣設備，導致該方案難推廣;橡皮管的存在，導致裝置無法抽真空;檢驗產物CuSO4時，也需拔掉橡皮塞，殘存在裝置內的SO2直接擴散到空氣中。

1.3蘇教版教材

蘇教版

教材實驗裝置如圖3所示[3]。該實驗方案雖然操作簡便、現象明顯，但在實際操作中，為防止倒吸，停止加熱前需打開雙孔橡皮塞，此時濃硫酸與銅還在反應，SO2大量外逸;反應后溶液藍色很淡，稍冷卻即轉為無色，不利于CuSO4的判斷。

2文獻中的實驗概述

查閱各種教學期刊，關于“濃硫酸與銅反應”的論文主要有三類。

第一類為研究實驗現象。李穎、劉懷樂[4]通過實驗證明，銅片變黑，是由于不同條件下的先后反應和若干的平行反應，生成了CuS、 Cu2S、 Cu2O、 Cu2SO4和S等一系列物質的混合物。夏立先[5]通過實驗證明，濃硫酸和銅反應后溶液呈綠色，是由于銅片表面未清洗，含有氯元素。

第二類為控制實驗條件。王繼璋[6]通過實驗證明，先把濃硫酸加熱到260℃，再加入銅片反應，可減少黑色物質生成。宋志貴[7]通過實驗證明，使用市售濃硫酸和水的體積比在2.5∶1～3∶1時，實驗效果較好。

第三類為改進實驗裝置。這類研究主要圍繞以下四點： 倒吸可防、反應可控、污染可除、操作可行。如陳海濤[8]設計如圖4的實驗裝置。實驗時，在試管外用

磁鐵吸引試管內的封鐵玻璃管，帶動螺旋狀銅絲沿著試管內壁上下滑動，控制反應進程。結束時，用氣球打氣筒向受熱試管內打氣，以驅除殘存SO2、加快試管冷卻、防止品紅溶液倒吸。但制作封鐵玻璃管較繁瑣、實驗操作較復雜，且連接氣球打氣筒的玻璃導管未接近濃硫酸，受熱試管內的SO2不易排盡。

綜上所述，針對教材和文獻中實驗的不足之處，筆者對該實驗進行了新的改進。

3新改進的實驗

3.1實驗用品

器材： 鐵架臺（帶鐵夾）、酒精燈、火柴、Y型管、雙孔橡皮塞、安全漏斗（環頸雙球）、直角導管、橡皮管、單向閥、濾紙條、滴管（帶刻度）、雙聯打氣球、針筒等

藥品： 市售濃硫酸、網線銅絲、水、品紅溶液、飽和NaOH溶液

3.2實驗裝置

新改進的實驗裝置如圖5所示。

3.3實驗操作、現象及結論

（1） 按圖5所示搭建實驗裝置，在保證裝置氣密性的基礎上加注藥品。

① 在Y型管左側依次加入網線銅絲（長度約4cm）、濃硫酸（體積約1.5mL）;在右側加水（體積約2mL）。

② 把濾紙條（大小與市售pH試紙相當）粘附在直角導管的外壁，并用品紅溶液潤濕;向雙球漏斗中注入飽和氫氧化鈉溶液（體積約1.5mL）。塞好雙孔橡皮塞后固定Y型管。

（2） 加熱。銅絲變黑、產生氣泡、管中充滿白霧。反應約半分鐘后停止加熱，銅絲消失，管底出現灰白色不溶物，溶液呈淡藍色，濾紙條褪色（證明有SO2生成）。

（3） 冷卻后，反應液呈無色。取下Y型管并旋轉，使一側反應液慢慢傾入另一側水中，并混合均勻，得穩定、鮮明的藍色溶液（證明有硫酸銅生成）。

（4） 課后，先用針筒從單向閥注水至接近直角導管底部，再換用雙聯打氣球打氣，排盡裝置中殘存SO2至雙球漏斗中的

NaOH吸收。

3.4實驗疑問解釋

（1） 處理尾氣時，為何采用環頸雙球漏斗盛放飽和NaOH溶液，而不采用更常見的漏斗或長頸漏斗盛放蘸有NaOH溶液的棉球？

① 采用環頸雙球漏斗，便于盛放吸收液且能達到圖2中的吸收效果。若采用漏斗或長頸漏斗盛放蘸有NaOH溶液的棉球，不僅吸收效率低，而且NaOH溶液的量不易控制，太少，SO2的吸收效果不好;太多，溶液會流入Y型管中影響實驗。

② 采用飽和NaOH溶液，利用其濃度大能加快吸收速率，且其呈油狀，黏稠度高，使SO2不易逸出，有利于提高吸收效率。

但要注意，所加溶液不能過多，以不進入雙球漏斗球部為宜，防止冷卻時發生倒吸。

（2） 為何采用細銅絲讓其耗盡，而不采用反應進程可控的銅片或粗銅絲？

① 從實驗目的角度，

讓銅絲消失，有利于簡化實驗裝置、分析反應本質、達到實驗目的。如果銅有剩余，則需要花費較多時間解釋其表面黑色現象，不僅沖淡實驗教學主題，而且對于高一學生或基礎一般的學生，還很難得出正確結論。

當然，在實驗過程中，也同樣會觀察到銅絲表面變黑的現象，只是最終會全部轉化進入溶液。對學有余力、學有能力的學生可開設微課進行相關研究[9]。

② 從二次使用角度，

反應之后，剩余粗銅絲（或銅片）的表面已發黑，還需經過拉直、打磨，再卷成螺旋狀才能二次使用，沒有比用一次性耗盡的細銅絲更方便。

③ 從試劑用量角度，

本實驗控制反應進程的目的是防止浪費藥品。而改進實驗中銅和濃硫酸的用量都很少，故沒有必要設置控制反應進程的措施。否則，會讓實驗復雜化。

所以，把銅絲完全耗盡，把接觸控制轉化為用量控制，更有利于操作和教學。

（3） 要觀察CuSO4溶液的藍色，為什么需把反應液倒入水中？

根據蘇教版教材[10]實驗： 向膽礬晶體中加入少許濃硫酸并攪拌，觀察到膽礬由藍色變成灰白色，可見常溫下濃硫酸的吸水性強于CuSO4。根據文獻[11， 12]得知： 反應完畢，硫酸濃度依然較高，冷卻后不利于CuSO4形成水溶液，也就不利于觀察到藍色。為了讓實際現象與理論描述保持一致，須加入適量的水，使形成CuSO4的稀硫酸溶液。

4改進實驗的優點

（1） 集成度高。將反應發生、產物檢驗、尾氣處理等裝置進行集成，有利于課堂演示時進行巡展。

（2） 操作簡便、現象明顯。只需旋轉Y型管，就能觀察到穩定、鮮明的藍色溶液。

（3） 綠色環保。用針筒注水、雙聯打氣球打氣，可排盡體系中殘存SO2。用盛放少許堿液的雙球漏斗，既消除倒吸隱患，又解決SO2污染問題。

參考文獻：

[1]宋心琦. 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， 2007： 101.

[2]姚子鵬. 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， 2007： 15.

[3][10]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， 2009： 91～92.

[4]李穎、 劉懷樂. 對銅和濃硫酸共熱反應實驗變黑現象的再認識[J]. 化學教育， 2007， （11）： 51～52， 54.

[5]夏立先. 對銅與濃硫酸反應溶液呈綠色的實驗探究[J]. 化學教學， 2015， （7）： 64～65.

[6]王繼璋. 溫度對銅和濃硫酸反應的影響探究[J]. 化學教育， 2013， （9）： 64～68.

[7]宋志貴. 對銅和濃硫酸反應的再認識[J]. 中學化學教學參考， 2011， （10）： 64.

[8]陳海濤. 銅與濃硫酸反應實驗方案的新設計[J]. 化學教學， 2015， （10）： 65～68.

[9][11]江合佩. 基于提升學生實驗科學素養的“翻轉課堂”教學研究——以“探究銅與濃硫酸反應的異常現象”為例[J]. 化學教與學， 2016， （2）： 11～15.

[12]呂緒河等. 濃硫酸與銅反應實驗的再改進[J]. 化學教學， 2014， （7）： 64～66.