銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探索

陳文興，王敏，羅宿星

（1.遵義師范學(xué)院化學(xué)系，貴州遵義563002；2.仁懷酒都高級(jí)中學(xué)，貴州仁懷564500）

銅與濃硫酸的反應(yīng)是高中化學(xué)教材中重要的演示實(shí)驗(yàn)之一，實(shí)驗(yàn)的原理是：Cu＋2HSO4（濃）

2CuSO4＋SO2↑＋2H2O，實(shí)驗(yàn)方法是：在一支試管中加入一小塊銅片，再加入3mL濃硫酸，然后用裝有玻璃導(dǎo)管的單孔橡皮塞好，加熱。將放出的氣體通入品紅溶液中，觀察反應(yīng)現(xiàn)象，見(jiàn)圖1。反應(yīng)完畢，冷卻后，將試管中的液體慢慢倒入另一支盛有少量水的試管中，觀察溶液的顏色[1]。

該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的是讓學(xué)生通過(guò)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（生成物溶于水后溶液呈藍(lán)色，放出的氣體能使品紅溶液褪色），了解并掌握濃硫酸的氧化性質(zhì)。然而，教材提供的實(shí)驗(yàn)方法和步驟存在四方面的欠缺：第一、裝置屬半敞開(kāi)式，蘸有NaOH溶液的棉花團(tuán)不能保證完全吸收多余的二氧化硫氣體，就有可能造成環(huán)境污染，達(dá)不到當(dāng)今綠色化學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)；第二、要將反應(yīng)后的液體倒入另一支盛有水的試管中,必須將反應(yīng)物冷卻，使得實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)操作又煩瑣，導(dǎo)致教學(xué)環(huán)節(jié)松散；第三、生成物中仍有濃硫酸，溶于水時(shí)放出大量的熱，給實(shí)驗(yàn)帶進(jìn)安全隱患；第四、生成物中夾雜有大量的黑色物質(zhì)，這些黑色物質(zhì)不溶于水影響對(duì)溶液顏色的觀察，甚至根本觀察不到藍(lán)色的溶液，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象既不鮮明，教學(xué)效果又不明顯。針對(duì)這些問(wèn)題，作者對(duì)課本實(shí)驗(yàn)作了探索性的改進(jìn)。

1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：試管（20×180mm）、具支試管(20×180mm)、酒精燈、橡皮塞、乳膠頭、導(dǎo)氣管。

實(shí)驗(yàn)藥品：2mol/LNaOH、0.05%品紅、98%濃硫酸、棉花、銅片、銅絲。

2 試驗(yàn)方法

2.1 改進(jìn)方法一

將蘸有NaOH溶液的棉花團(tuán)改為裝NaOH溶液的試管，確保完全吸收多于的二氧化硫氣體。按圖2所示安裝實(shí)驗(yàn)裝置，檢查裝置的氣密性；在裝有銅片的試管中加入3mL98%的濃硫酸，加熱。待品紅溶液褪至無(wú)色時(shí)，停止加熱。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)大量的黑色固體物質(zhì)沉淀于試管底部，試管中產(chǎn)生大量白色煙霧，品紅溶液褪至無(wú)色。

2.1.2 結(jié)果討論

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)只解決了污染問(wèn)題。但由于反應(yīng)后期產(chǎn)生的SO2氣體量減少，裝置內(nèi)的氣壓降低，易導(dǎo)致品紅溶液倒吸。品紅溶液一旦倒吸，就會(huì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

2.2 改進(jìn)方法二

增加緩沖裝置，改品紅溶液為蘸有品紅溶液的長(zhǎng)紙條放入試管內(nèi)。圖3所示。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

溶液開(kāi)始變藍(lán)的同時(shí)出現(xiàn)黑色的物質(zhì)，并產(chǎn)生大量的白色煙霧，待品紅試紙完全褪成無(wú)色時(shí)，試管中只有黑色固體和無(wú)色液體。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于98%的濃硫酸沸點(diǎn)是338℃[1]，而硫酸銅晶體在218℃時(shí)就全部失水[2]。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，反應(yīng)體系中的水分被蒸發(fā)，濃硫酸部分生成發(fā)煙硫酸，故產(chǎn)生大量的白色煙霧；產(chǎn)物硫酸銅處在非水體系中不顯藍(lán)色，因而觀察不到藍(lán)色的硫酸銅溶液生成。黑色的固體物質(zhì)可能是銅與濃硫酸共熱時(shí)反應(yīng)生成的硫化亞銅和硫化銅的混合物。因?yàn)殂~與濃硫酸反應(yīng)時(shí)會(huì)有多種副反應(yīng)發(fā)生[3]，低于100℃時(shí)5Cu+4H2SO4（濃）Cu2S+3CuSO4+4H2O隨著溫度的升高，濃硫酸氧化性增強(qiáng)，繼續(xù)發(fā)生如下的副反應(yīng)：

所以，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于黑色固體物質(zhì)的干擾，既觀察不到CuSO4的白顏色，也不易觀察到Cu(H2O)SO4呈現(xiàn)的藍(lán)色。

由此可知，影響反應(yīng)的因素有：反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、硫酸溶液的濃度。而導(dǎo)致黑色物質(zhì)產(chǎn)生的主要原因是：反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、硫酸的濃度過(guò)大及未控制反應(yīng)溫度。當(dāng)98%的濃H2SO4體積為3mL時(shí),銅片的質(zhì)量為0.1～0.6g(或相當(dāng)于此用量比),實(shí)驗(yàn)效果較明顯,實(shí)驗(yàn)成功率較高，故再次將實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

2.3 改進(jìn)方法三

2.3.1 實(shí)驗(yàn)方法改試管為具支試管，將銅片改為可上下抽動(dòng)的銅絲。在橡皮塞上插入帶有乳膠頭的短玻璃管，將銅絲經(jīng)乳膠頭穿過(guò)玻璃管插入具支試管內(nèi)，把銅絲末端繞成團(tuán)，上端彎成小鉤狀（便于抽取懸入硫酸溶液中央的銅絲團(tuán)，同時(shí)保證氣密性），如圖4所示。由于60%的濃硫酸就具有一定的氧化性[4]。向具支試管中加入3mL80%的硫酸溶液，預(yù)熱硫酸溶液接近沸騰時(shí)，撤離酒精燈，將銅絲伸入硫酸溶液中，反應(yīng)立即發(fā)生。當(dāng)品紅試紙褪至無(wú)色時(shí)，把銅絲抽離硫酸溶液。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果反應(yīng)開(kāi)始試管中溶液逐漸變藍(lán)，當(dāng)品紅試紙褪至無(wú)色時(shí)，溶液的藍(lán)色鮮明，且沒(méi)有黑色物質(zhì)產(chǎn)生。

2.4 最佳反應(yīng)條件

配制50%—95%不同濃度的硫酸溶液。分別用相同體積不同濃度的硫酸溶液與質(zhì)量相同的可移動(dòng)銅絲按圖4的裝置和2.3.1的方法做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到表1所示的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

表1 銅絲與50%—95%的硫酸溶液反應(yīng)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：硫酸溶液的濃度在70%—85%時(shí)，反應(yīng)所需要時(shí)間較短，幾乎看不到黑色沉淀，試管中溶液呈現(xiàn)的藍(lán)色鮮明。再用72%—84%不同濃度的硫酸溶液，按2.3.1的方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得到表2所示的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

表2 銅絲與72%—84%的硫酸溶液反應(yīng)

3 結(jié)果與討論

根據(jù)表1和表2所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：用80%的硫酸溶液做此實(shí)驗(yàn)。品紅試紙褪至無(wú)色時(shí)只需3.0分鐘，試管中溶液呈現(xiàn)明顯的藍(lán)色，且沒(méi)有黑色物質(zhì)生成，是濃硫酸氧化銅的最佳反條件。

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意：（1）控制反應(yīng)溫度，溫度不宜太高，用小火加熱；（2）硫酸溶液加熱至接近沸騰時(shí)再將銅絲團(tuán)伸進(jìn)硫酸溶液中，并且銅絲團(tuán)應(yīng)懸在硫酸溶液中央；（3）品紅試紙褪成無(wú)色后，應(yīng)立即把銅絲團(tuán)抽離硫酸溶液終止反應(yīng)。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，氣密性良好，即能確保尾氣被完全吸收，又避免了溶液倒吸；（2）可移動(dòng)的銅絲既能靈活地控制反應(yīng)進(jìn)程，又可以重復(fù)使用，節(jié)約了藥品；（3）簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，縮短了演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間?？傊?jīng)過(guò)探索改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象既鮮明，教學(xué)效果又明顯，不但達(dá)到綠色化學(xué)與環(huán)保的目的，同時(shí)還能開(kāi)拓學(xué)生的思維,提高學(xué)生分析問(wèn)題的能力。

[1] 人民教育出版社化學(xué)室.全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)（必修）化學(xué)[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2] 北京師范大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室，東北師范大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室，華中師范大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)教研室，等.無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第三版）[M].北京：高等教育出版社,2001.

[3] 楊麗君，沙麗麗.銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的探究[J].玉溪師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,22(12)：43-45.

[4] 王貴和.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[M].貴陽(yáng)：貴州教育出版社,2000.