銅與濃硫酸反應實驗的新設計

湖北省天門市天門中學(431700) 伍 強

1 背景

銅與濃硫酸反應過程中往往會因為溫度不夠高而發生副反應，生產大量黑色物質，對實驗現象的觀察造成干擾。為了防止這些黑色物質的出現，必須將濃硫酸先煮沸，然后再將銅加入到濃硫酸中。將銅加入沸騰的濃硫酸后，會迅速產生大量的二氧化硫氣體。二氧化硫氣體從沸騰狀態的濃硫酸中逸出時，會帶走大量硫酸蒸氣，硫酸蒸氣遇冷后形成硫酸小液滴，分散在二氧化硫氣體中，形成硫酸氣溶膠。教材實驗中，銅絲通過橡膠塞上的凹槽伸入，由于凹槽與銅絲間有較大縫隙，大量硫酸氣溶膠從縫隙中逸出，會對實驗者的身體造成危害。現有改進實驗裝置都是為吸收二氧化硫而設計的，尚未有人對硫酸氣溶膠的吸收作出設計，為此筆者設計出一套銅與濃硫酸反應的新裝置。

2 實驗用品

小試管、試管夾、酒精燈、膠頭滴管、小燒杯、細銅絲、粗銅絲、脫脂棉、濃硫酸、品紅溶液、氫氧化鈉溶液、蒸餾水。

3 實驗裝置圖及說明

如圖1所示，取1根打磨光亮的粗銅絲，在粗銅絲中段用細銅絲綁1塊長條形脫脂棉，形成1個脫脂棉柱。取1支小試管，將脫脂棉柱塞入試管，將試管直立，粗銅絲和脫脂棉柱不會向下滑動。用手上下抽動銅絲，使得脫脂棉柱能在試管中較容易地上下移動，拉動銅絲，將脫脂棉柱拔出試管。在脫脂棉柱的下端滴幾滴品紅溶液，上端滴加1滴管氫氧化鈉溶液。向小試管中加入1滴管濃硫酸，將粗銅絲插入小試管中，使脫脂棉柱卡在試管中，將試管封堵起來，此時不能使粗銅絲下端與濃硫酸接觸，以免發生副反應。

4 實驗操作

左手持試管夾，將小試管套在試管夾上，并在酒精燈上加熱，待濃硫酸沸騰后，用右手捏住粗銅絲上端向下移動，將銅絲下端插入濃硫酸中。銅絲立即與濃硫酸發生劇烈反應，產生大量氣體，并在試管中形成大量白霧，這些白霧就是硫酸氣溶膠，整個實驗過程中，硫酸氣溶膠不能穿透脫脂棉柱逸出試管外。約10 s后，脫脂棉柱底端的品紅溶液褪色，這說明銅與濃硫酸反應生成了二氧化硫氣體。用右手捏住粗銅絲上端往上移動，將粗銅絲下端移出濃硫酸。停止加熱，熄滅酒精燈，靜置片刻，觀察試管中的現象，發現濃硫酸呈淺藍綠色，這說明濃硫酸中溶解了少量銅離子。試管底部有少量白色沉淀，該白色沉淀為無水硫酸銅，由于試管中幾乎不含水，硫酸銅只能以無水物的形式存在，而且無水硫酸銅在濃硫酸中的溶解度不大，因此主要以沉淀形式存在。待試管徹底冷卻后，將粗銅絲拔出試管。用傾潷法將試管中的濃硫酸緩緩倒入一個裝有水的小燒杯中，白色沉淀黏附在試管底部，不會隨著濃硫酸一起被倒出。向試管中加入1滴管蒸餾水，振蕩試管，發現白色沉淀溶解，形成藍色溶液，該藍色溶液為硫酸銅水溶液。

5 改進的意義

本實驗最主要的創新點是設計出了脫脂棉柱這一裝置。脫脂棉柱在本實驗中有以下幾個作用：

第一個作用是封堵試管。脫脂棉柱由棉花纖維構成，棉花纖維的主要成分是纖維素，纖維素中含有大量羥基，而硫酸分子中也含羥基，因此硫酸分子極易與纖維素形成氫鍵而結合在一起。當硫酸與二氧化硫氣體組成的氣溶膠通過脫脂棉柱時，硫酸小液滴與棉花纖維碰撞，然后就被棉花纖維吸收。由于脫脂棉柱足夠長，棉花纖維也比較致密，大多數的硫酸小液滴都能被棉花纖維捕獲。即使有少量硫酸液滴突破棉花纖維的重重阻隔，隨著二氧化硫氣體順利到達試管口，最終也會與二氧化硫氣體一同被脫脂棉柱尾端的氫氧化鈉溶液吸收。

第二個作用是有利于調節銅絲的位置。由于脫脂棉柱有彈性，塞入試管后，對試管內壁有一定的壓力，可產生足夠的摩擦力，可防止粗銅絲因重力作用往下滑動。由于脫脂棉柱足夠長，在上下調節銅絲的過程中，脫脂棉柱始終有一部分卡在試管中，保持了試管的密閉狀態。

第三個作用是作檢測試劑與尾氣處理試劑的載體。脫脂棉柱下端的品紅溶液起檢驗二氧化硫氣體的作用，上端的氫氧化鈉溶液主要起吸收二氧化硫氣體的作用。