濃硫酸與銅反應實驗改進

摘 要：針對現(xiàn)有教材中濃硫酸與銅反應實驗裝置的不足，如易倒吸、尾氣未處理盡等進行改進：使用定制的雙邊具支試管作為該反應裝置、性質檢驗裝置以及凈化裝置，

用硅膠塞代替橡膠塞，銅絲可以輕松穿過。避免了橡膠塞打孔使氣密性良好。換用棉團浸取試液，可減少藥品用量且效果良好。改進后的裝置能有效檢驗二氧化硫的還原性、酸性以及漂白性，具有現(xiàn)象明顯、無污染、防止倒吸等優(yōu)點。

關鍵詞：濃硫酸與銅反應；實驗改進；雙邊具支試管

文章編號：1005-6629（2024）09-0071-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題的提出

銅和濃硫酸的反應及實驗在高中化學學習中占有重要地位，是認識濃硫酸的氧化性和酸性的重要載體。同時，作為二氧化硫的制備與性質檢驗實驗，能夠讓學生進行關于有害氣體的制備與檢驗的系統(tǒng)化學習。二氧化硫和硫酸作為硫的重要化合物所呈現(xiàn)出來的特殊性質，有助于學生深入認識化合價與物質性質之間的聯(lián)系，從而掌握物質結構決定性質的本原知識。人教版教材（2019年版）必修二^［1］中設置的銅與濃硫酸反應實驗（如圖1所示），存在些許不足：（1）銅絲和橡膠塞之間的摩擦力較大，不易抽拉銅絲，操作困難，容易損壞試管；（2）用一個浸有氫氧化鈉溶液的棉團來吸收多余的二氧化硫是不嚴謹?shù)模?/p>

因為產生的二氧化硫較多、較快，很容易逸出；（3）裝置內殘留的二氧化硫未處理，拆卸裝置時也會逸出；

（4）沒有設計防倒吸裝置，停止加熱時，品紅溶液會倒吸進入反應試管中；（5）探究了二氧化硫的漂白性，但未進一步驗證其漂白效果的不穩(wěn)定性，而且二氧化硫的還原性也未檢驗，這些問題都會讓學生感到疑惑。因此，筆者結合文獻對

銅與濃硫酸反應的實驗裝置進行了再改進。

2 相關文獻案例評析

基于圖1實驗裝置的弊端，不少研究者對其進行了改進，在此不妨簡單分析一下幾類具有代表性的改進實驗方案。

方案一^［2］：利用洗耳球排出裝置內殘留的SO；使用品紅試紙和石蕊試紙檢驗SO；使用80%的硫酸，使容易觀察到藍色硫酸銅溶液的生成；銅絲通過膠頭滴管插入具支試管，減小了銅絲與膠帽之間的摩擦力。不足之處是：（1）將膠頭滴管穿過橡膠塞的操作過于困難，且很難保證裝置的氣密性；（2）加熱硫酸過程中會產生大量酸霧進入到雙通管里，會使石蕊試紙變色，從而干擾SO的酸性檢驗。

方案二^［3］：通過條形磁鐵吸引鐵釘，能控制反應的進程，增加實驗的趣味性；將球形干燥管伸入到氫氧化鈉溶液中，可以充分吸收SO，平衡氣壓，防止倒吸。不足之處是：（1）缺少檢驗SO酸性的裝置；（2）高溫下，鐵釘與濃硫酸酸霧接觸也會反應；（3）條形磁鐵需要全程用手控制，操作不便；（4）反應裝置里殘留的SO未處理；（5）反應后的液體不易呈現(xiàn)明顯的藍色。

方案三^［4］：使用Y形管實現(xiàn)了裝置一體化；使用單向閥、雙球安全漏斗等能除去殘留的SO和防倒吸。不足之處是：（1）不能控制反應的進程，在低溫時發(fā)生較多副反應，生成黑色物質；（2）缺少SO的酸性的檢驗。

本研究結合以上文獻的改進思路，采用定制的雙邊具支試管作為反應、性質檢驗以及凈化裝置；連接雙聯(lián)打氣球和氣球，使整個裝置呈封閉狀態(tài)；使用脫脂棉團檢驗二氧化硫的相關性質，試劑用量少；利用注射器向試管內加入蒸餾水對產物進行檢驗，現(xiàn)象明顯。

3 濃硫酸與銅反應實驗改進

3.1 實驗用品

實驗儀器：雙邊具支試管（三只）、酒精燈、雙聯(lián)打氣球、硅膠塞、氣球、鑷子、注射器（帶針頭）、酒精燈、鐵架臺、膠頭滴管、火柴、橡膠管、試管

實驗藥品：銅絲、濃硫酸（98%）、品紅溶液、酸性高錳酸鉀溶液、甲基橙溶液、蒸餾水、飽和氫氧化鈉溶液、脫脂棉

3.2 實驗步驟及現(xiàn)象

（1） 完整的實驗裝置如圖2所示。連接好實驗裝置，然后檢驗裝置的氣密性。方法為：用雙聯(lián)打氣球向裝置內鼓氣，若看到右側氣球膨脹，則說明氣密性良好。

（2） 用膠頭滴管吸取約2mL濃硫酸于試管1中。

（3） 取一根長約18cm銅絲將下端擰成螺旋狀，上端涂抹一點凡士林然后穿過硅膠塞，將其放在試管1上，此時調節(jié)好銅絲的高度，避免銅絲和濃硫酸接觸。

（4） 取三團脫脂棉，分別浸潤品紅溶液、甲基橙溶液、酸性高錳酸鉀溶液，然后將其依次放入試管2中，最后在試管2的支管口處放一團干燥的脫脂棉^［5］。

（5） 用飽和氫氧化鈉溶液浸潤三團脫脂棉，然后將其放入試管3的支管口處，最后在試管3的另一個支管口套上氣球。

（6） 點燃酒精燈，對濃硫酸進行加熱至產生大量酸霧，向下推動銅絲，讓銅與濃硫酸接觸反應。此時觀察到銅絲和濃硫酸劇烈反應，試管1中產生濃霧，銅絲表面產生大量氣泡，試管底部有灰白色固體生成。試管2中酸性高錳酸鉀棉團的顏色逐漸退去，最后變成無色；甲基橙棉團的顏色由橙色變成紅色，隨著反應進行，紅色慢慢變深；品紅棉團的紅色漸漸變淺，最后退至無色。氣球有些膨脹。

（7） 抽離銅絲，停止加熱，反應結束。用酒精燈對試管2的品紅棉團慢慢加熱，觀察到試管底部內壁附著的試液又變成紅色，試液表面上有氣泡產生，棉團也逐漸變紅，說明二氧化硫漂白品紅的不穩(wěn)定性。待試管2冷卻后，觀察到品紅棉團又退至無色，說明二氧化硫漂白的可逆性。

（8） 用注射器向試管1中加入蒸餾水，靜置，發(fā)現(xiàn)上層清液呈淺藍色，上下抽拉銅絲對溶液進行攪拌，灰白色固體部分溶解，上層液體藍色加深。

（9） 用雙聯(lián)打氣球向裝置內鼓氣，確保裝置內二氧化硫被試管3的氫氧化鈉脫脂棉團完全吸收。擠壓氣球，處理來不及被氫氧化鈉棉團吸收就逸出到氣球里的二氧化硫。

3.3 關于該實驗的幾點說明

（1） 脫脂棉團浸潤甲基橙等溶液不宜全浸透，可以借鑷子將面向觀察者這一側的棉團潤濕，另一半保持干松，以便于透氣。試管3中的脫脂棉團可以稍稍浸透燒堿溶液，但也要保持透氣。

（2） 實驗開始前，銅絲和濃硫酸之間間隔一定的距離，否則銅絲與酸霧反應，表面會生成黑色物質。實驗開始時，應將濃硫酸加熱至表面有大量白霧時，才將銅絲伸入到濃硫酸中，減少副反應的發(fā)生。

（3） 實驗前須用砂紙對銅絲進行打磨，不然可能會觀察到溶液變成綠色，這是因為廠家常在銅絲表面加一層聚氯乙烯覆膜，導致反應混合物中含有Cl^-，在反應體系中形成［CuCl］^2-，與水合銅離子混合呈現(xiàn)綠色^［6］。

3.4 實驗改進后的優(yōu)點

（1） 用質地柔軟且彈力較好的硅膠塞代替橡膠塞，氣密性較好，在銅絲上涂抹凡士林，能夠較好地抽拉銅絲控制反應的發(fā)生與停止。

（2） 增加了浸潤飽和氫氧化鈉溶液的棉團數(shù)量，能有效吸收多余的二氧化硫同時可以防止倒吸。用棉團分別浸潤品紅等溶液驗證二氧化硫的性質，實驗藥品用量較少但現(xiàn)象卻很明顯。

（3） 使用雙聯(lián)打氣球能夠有效排盡裝置內殘留的SO，避免污染空氣。

（4） 在裝置結尾處連接一個氣球，通過氣球的膨脹程度，可以實時監(jiān)測裝置的氣密性。

（5） 利用注射器向試管1中添加蒸餾水，操作簡單，不但可以看到溶液變成藍色，攪拌之后還能觀察到固體物質的溶解情況，從而判斷白色固體是無水硫酸銅。

（6） 以甲基橙溶液作為指示劑，證明了二氧化硫溶液溶于水后呈酸性，還加強了學生對酸堿指示劑的認識。

參考文獻：

［1］王晶，鄭長龍主編．普通高中教科書·化學（必修）第二冊［M］．北京：人民教育出版社，2019：5．

［2］李文杰.濃硫酸與銅反應實驗的改進［J］.化學教學，2019，（7）：63～65.

［3］魏崇啟.濃硫酸與銅反應實驗的創(chuàng)新改進［J］.化學教學，2012，（9）：47～49.

［4］張紅衛(wèi).濃硫酸與銅反應實驗的改進［J］.化學教學，2020，（1）：67～69.

［5］張苗，萬鑫潔，彭新月.銅與濃硫酸反應裝置的新設計［J］.化學教學，2023，（11）：65～68.

［6］王春.銅與濃硫酸反應實驗異常現(xiàn)象的探究及裝置的新設計［J］.化學教學，2020，（11）：76～79.