高中化學濃硫酸和銅反應實驗改進探究

張宗濤

【摘 要】濃硫酸和銅反應實驗是高中化學教材中的一個重要實驗。為了提高化學反應速率，突出化學反應現象，便于觀察和探究，教材中設計的實驗方案和實驗方法有可改進之處。本文主要探究了對高中化學濃硫酸和銅反應實驗改進的方法和策略，通過簡單易行的操作進行實驗，做到操作簡便，節約藥品，利于環保，深化學生對化學原理的認識。

【關鍵詞】高中化學;濃硫酸;銅;實驗;改進

實驗是幫助學生理解化學知識，體會化學原理，深化認識化學規律的一種有效方法，在化學學習過程中具有舉足輕重的作用。學生通過動腦思考，設計實驗步驟，主動參與動手操作會把枯燥的學習過程變得妙趣橫生。在動手體驗中，學生會直觀地看到實驗現象，了解操作方法，明確其中的化學原理，形成深刻的認識和體會。教師要引導學生不斷地對實驗步驟和實驗過程進行創新，使學生能夠進行發散思維，大膽想象，主動實踐，通過創新性的方式來提高學生的理解能力，深化認識，實現對知識本質的掌握。

一、教材中實驗的不足

教材中的這個實驗的實驗現象不夠明顯，并且在實驗過程中存在著一定的藥品浪費的現象。實驗過程種銅絲插在膠塞的凹槽種，氣密性不是很好，而且在檢驗SO2時紫色石蕊試液或品紅溶液，氣體用量非常大，導致實驗時間很長，還容易造成倒吸現象。實驗過程中，為了觀察硫酸銅溶液的顏色就需要將裝置橡膠塞打開，倒出來溶液時會有在實驗過程中沒有反應的銅片會繼續和濃硫酸反應，生成有毒的二氧化硫逸出，這種氣體對環境存在著很大的污染不利于環境保護。化學實驗的目的就是讓學生通過動手操作能夠直觀地看到實驗現象，體會實驗的神奇和變化，可是原來的實驗并不能讓學生很好地看到實驗現象，失去了實驗的目的和價值，而且實驗裝置的氣密性不足，也會影響實驗效果，需要通過改進的方式來幫助學生直觀地看到實驗現象，幫助學生在觀察現象中理解規律，形成對知識的客觀性認識。同時教師要引導學生節約用各種化學藥劑，做到不浪費，更要從環保的角度來引導學生對實驗進行改進，避免環境的污染，提高學生的環保意識。

二、實驗改進的方面

（一）改變實驗裝置

為了避免實驗裝置氣密性不足或者是不容易取出銅片的問題，可以改變實驗裝置，設計如圖所示的實驗裝置來將適量銅片直接放入到Y型試管的一端而不是普通的試管。這樣的實驗裝置簡單且易于操作，在實驗過程中進行實驗用時較短，而且可以很直觀、明確地看到實驗現象。實驗中把試管變成Y型管，整個實驗過程中所需要的試劑明顯減少，避免了實驗藥品的浪費。同時，實驗除了常規的尾氣吸收外，不需要再打開實驗裝置，使剩余的SO2不會逸出，可以說不容易造成環境污染，對于環保具有積極價值。

（二）改變實驗試紙

為了避免檢驗SO2時紫色石蕊試液或品紅溶液，氣體用量較大，實驗時間長，造成的倒吸問題，可以改用濕潤的藍色的石蕊試紙和品紅試紙檢驗SO2的生成。在實驗過程中，需要用鑷子將濕潤的藍色石蕊試紙放入到玻璃管中，在裝置的末端塞上蘸有濃氫氧化鈉溶液的棉花。通過加熱會看到左管會使濃硫酸沸騰，反應過程中會有氣泡出現，隨后品紅試紙就會褪色，藍色的石蕊試紙也會變紅。通過改變實驗試紙化學反應現象呈現的更加清晰，學生會明確地看到試紙顏色的變化，在觀察中看到實驗現象，體會到實驗的變化，進而體會到實驗的價值和意義，形成對實驗的深刻認識和理解。在實驗過程中還可以用堿石灰吸收多余的SO2。

（三）改變實驗操作

實驗結束后要觀察生成的硫酸銅溶液顏色時，不用把溶液傾倒出來，直接用注射器向Y型試管右管注入蒸餾水就可以。注入蒸餾水會稀釋溶液，但并不會改變溶液，可以觀察到實驗后溶液的顏色，就是顏色稍微淺一些。當注入蒸餾水之后，只需要微微傾斜Y型管，使左管溶液緩慢流入右管，就可以很直觀地觀察溶液顏色。學生會看到右管中的溶液是藍色的。

（四）改變尾氣處理

在傳統的實驗中尾氣并沒有有效處理。為了避免空氣污染，可以通過在實驗結束后注入碳酸鈉溶液的方式來處理尾氣。采用這種方法主要是利用了實驗過程中產生的CO2將殘留的SO2排出吸收，同時處理了余酸。

三、改進的實驗步驟和現象

（一）準備實驗裝置

在動手操作過程中，學生首先要用Y型試管來代替傳統試管，進行實驗儀器的安裝和準備。當一切準備就緒后，動手操作，裝置好如圖所示的實驗裝置圖。Y形試管的一端是用于排出氣體的，可以用一個氣球來搜集氣體，避免了環境的污染。在實驗過程中，首先去適量的濃硫酸加入到Y形試管中，用量不要太多，最好不要超過試管體積的三分之一。實驗中所使用的膠塞是單孔膠塞，將5ml的注射器插入到膠塞中。在注射器的末端需要系上一段細銅絲，并在細銅絲的另一端系上一段螺旋狀的粗銅絲，用于化學反應。為了使銅能夠接觸到濃硫酸就需要推動注射器柱塞，當銅與濃硫酸接觸時化學反應就開始了。為了使反應結束，學生只需要輕輕拉出注射器的柱塞就可以了。為了更好地觀察實驗現象，需要在硬質的玻璃管中分別放上濕潤的品紅試紙、濕潤的石蕊試紙，在燒杯中加入適量飽和NaOH溶液。

（二）加熱酒精燈

用酒精燈加熱濃硫酸就會看到神奇的實驗現象。學生會看到加熱濃硫酸會產生大量的白霧，并且在直形玻璃管處有水珠生成。這種白霧實際上是一種酸霧，是化學反應生成了SO2和H2O。這兩種物質在試管中也會發生化學反應，生成了H2SO3。也可能是濃硫酸在加熱時蒸發了水，濃硫酸的濃度不斷變高，產生了SO3。同時，酒精燈加熱Y形試管時，品紅試紙無色恢復紅色，紅色石蕊試紙不變色。

（三）觀察實驗現象

等到實驗結束時，要使試管中的濃硫酸與金屬銅脫離開來，移去酒精燈，加熱硬質玻璃管，這時候就可以清楚地觀察試紙顏色的變化。觀察中，學生會看到硬質玻璃管中品紅試紙由紅色變為無色，藍色石蕊試紙會由藍色變成紅色。這說明SO2具有漂白性，可以使品紅溶液褪色;藍色石蕊試紙變為紅色說明SO2是一種酸性氣體。通過學生對實驗現象的分析會透過這些實驗現象看到知識本質，形成對實驗的深刻認識，升華對知識的理解。在對試管內的溶液進行觀察時，學生會看到加熱結束后，試管內液體變為淺綠色，試管底部由灰色粉末狀沉淀，銅絲末端有少量黑色固體。通過對其原因進行分析和思考，學生會認識到因為濃硫酸具有吸水性，可以吸收部分生成的水，形成水合硫酸分子。當溫度比較高的時候，水合硫酸分子離解，就會產生一定數量的自由水分子，這些自由水分子會使銅離子絡合為四水絡銅例子。但是當不加熱試管時，試管的溫度就會下降，硫酸分子吸附水分子的能力會增強，使絡合平衡向左移動，溶液顏色變淺，甚至變成無色。

（四）探究沉淀物質

在對實驗最后的溶液進行觀察時會看到有藍色溶液生成，并且有少量灰色不溶物。這些固體可能是化學反應的副產物，可能是濃硫酸的氧化性氧化了銅，教師需要引導學生通過化學的方式來驗證，鼓勵學生通過檢驗的方式來驗證自己的猜測。實踐中，學生可以把黑色固體浸沒在稀硫酸中，因為數量比較少，也沒有辦法加快反應速率，所以看不出來黑色固體有明顯變化，很難確定物質是什么。通過進一步思考和探究，學生會認識到濃硫酸在與銅反應的過程中，隨著溫度升高，氧化性也會不斷提高。由于氧化能力不同，銅被氧化的產物也不一樣，會首先產生氧化物，之后產生硫化物，達到沸點時氧化能力最強，會形成CuSO4。之前產生的中間物質黑色沉淀在這個過程中也會被氧化為白色CuSO4。學生在思考中會更好地理解SO2的氧化性質，升華學生對知識的認識。

四、總結實驗原理

因為SO2有一定的毒性，對環境造成了污染，在實驗過程中就要避免污染環境的現狀出現。教師要通過有效的實驗操作來凈化空氣。實驗過程中采用Y型試管的方式來操作實驗，實驗用的藥劑明顯減少，而且在用試紙檢驗生成的SO2過程中所需要的氣體也很少，減少了對環境的污染。而且實驗中采用蘸有濃氫氧化鈉的棉球作為吸收劑，有利于充分吸收多余的SO2，消除SO2對環境的不利影響。在實驗過程中，SO2的水溶液能夠使藍色石蕊試紙變成紅色，說明了SO2具有一定的酸性;而且能夠使濕潤的品紅試紙褪色，說明了SO2具有漂白性;而且在實驗最后可以用氫氧化鈉吸收尾氣，說明了SO2具有氧化性。通過學生的深入分析和探究，學生會透過表面看到現象，形成對知識的深刻認識，在分析中把握知識本質。實驗中，SO2容易溶于水，學生在觀察到試紙變色后可以注入水，保證裝置內氣體不被提前溶解。同時，為了避免實驗過程中的倒吸現象，可以采用濕潤的試紙進行實驗，會有效避免倒吸現象。實驗最后溶液中可能會存在一定的濃硫酸，在注入蒸餾水時，會防止液體飛濺，并且利用無色溶液稀釋后變藍可以證明有硫酸銅物質生成。在對實驗原理的分析中，學生會更好地體會濃硫酸的強氧化性，理解濃硫酸的氧化性表現在硫元素價態的變化上，鞏固SO2的性質及檢驗方法。在學生的體驗中，學生主動思考和探究，發揮了學生的創造性和創新型，有利于學生探究能力的提高，對于學生的全面發展具有積極作用。

總之，通過學生對濃硫酸和銅反應實驗改進，學生在探究中發揮了主體作用，積極思考和探究，根據化學反應原理和化學變化來思考有效的化學操作，在體驗中看到了實驗現象。學生在體驗過程中主動地思考知識，探究規律，充分地發揮了主觀能動性，活躍了學生的思維，幫助在思考中內化知識，提高能力，進而落實核心素養。

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