銅與濃硫酸反應實驗裝置的一體化新設計

鞏永銳 李忠恒 周麗梅 羅廖莉

摘要： 針對三種現(xiàn)行不同版本的教材以及文獻報道中銅與濃硫酸反應實驗裝置的不足，提出新的改進方案。采用自制帶平臺的直角玻璃管、B型磁力攪拌子、磁環(huán)、注射器、球形干燥管、單連打氣球等常見器材對該實驗裝置進行重新設計。改進后的實驗裝置具有反應可控、倒吸可防、污染可除、現(xiàn)象明顯、富有趣味等特點。

關鍵詞： 銅與濃硫酸的反應; 一體化設計; 實驗探究

文章編號： 10056629（2022）06006804

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 教材實驗分析

銅與濃硫酸的反應是體現(xiàn)濃硫酸具有強氧化性的代表性實驗。比較現(xiàn)行三套高中化學教材，發(fā)現(xiàn)銅與濃硫酸反應裝置的設計各有千秋，但在實驗過程中均存在一些不足之處。下面對教材中該反應裝置的設計進行簡要分析。

1.1 人教版（新版）教材

人教版2019年（新版）教材中實驗裝置如圖1所示[1]。該方案在舊版教材的基礎上新增了盛有石蕊溶液的試管，同時加了浸有氫氧化鈉溶液的棉團用于尾氣處理。整個裝置簡易，操作方便，但仍存在以下不足之處：

（1） 銅絲由膠塞側面挖的凹槽伸入試管中，在拉動銅絲的過程中摩擦力很大，有可能會損壞試管或拉出膠塞，操作不便。

（2） 新版教材新增了尾氣處理裝置，但是浸有NaOH溶液的棉團不能將產生的SO2氣體全部吸收，拆除裝置后裝置內部殘存的SO2仍然會污染環(huán)境。

（3） 由于濃硫酸的吸水性強于硫酸銅，反應后產生的CuSO4以白色固體形式留于試管底部，不易出現(xiàn)藍色溶液。將試管內的物質倒入盛有水的另一試管則會導致裝置內的SO2逸出造成污染。

（4） 由于無防倒吸裝置，溶液可能會倒吸到灼熱的試管中，存在安全隱患。

1.2 滬科版教材

滬科版教材中實驗裝置如圖2所示[2]。該方案利用抽氣裝置解決溶液倒吸引發(fā)的安全問題，儀器組裝簡易，并用NaOH溶液進行尾氣處理，但同樣存在些許不足之處：

（1） 使用銅片與濃硫酸進行反應，反應進程無法控制。且銅片在升溫過程中會與濃硫酸反應生成Cu2S、 CuS等黑色副產物，與理想的實驗現(xiàn)象有較大出入，解釋黑色固體生成的原因則會影響教學的時間，沖淡教學主題。

（2） 抽氣裝置較為復雜，部分基礎設施落后的學校不具備相應的教學條件。

（3） 反應后H2SO4溶液濃度很大，硫酸銅溶液顏色很淺，不易觀察。將反應后的溶液倒入另一盛有少量水的燒杯中，溶液呈現(xiàn)明顯的藍色，但同時也會造成 SO2外逸污染環(huán)境。

1.3 蘇教版（新版）教材

蘇教版2020年（新版）教材中實驗裝置如圖3所示[3]。該方案裝置簡易，操作方便，但仍有以下不足之處：

（1）使用銅片與濃硫酸反應，不能控制反應的進程。

（2）缺少防倒吸裝置，品紅溶液容易倒流回加熱的試管中引發(fā)安全事故。

（3）銅片與濃硫酸在較低溫度下便開始反應，會產生Cu2S、 CuS等黑色副產物，同時生成的CuSO4溶液顏色很淡，不利于觀察。

2 對已有改進實驗的述評

針對各教材中所設計實驗裝置的不足之處，眾多化學教學工作者對該實驗裝置從不同的角度進行了改進，其中具有代表性的有以下四類方案。

方案一： 如圖4所示實驗裝置[4]。通過上下拉動銅絲控制反應進程，帶止水夾的橡膠管與外界大氣相連，以平衡氣壓進而避免溶液倒吸。但是，整個裝置較為復雜，且反應后的CuSO4在高濃度的H2SO4中不易呈現(xiàn)明顯的藍色。雖然有尾氣處理裝置，但無法除盡裝置內部殘留的SO2氣體。

方案二： 如圖5所示實驗裝置[5]。通過條形磁鐵與鐵釘之間的吸引控制反應的進程，使用球形干燥管平衡氣壓解決了溶液倒吸的問題。用浸有品紅溶液的濾紙條代替品紅溶液，實現(xiàn)了實驗簡易化的同時減少了SO2氣體產生的量。裝置不足之處在于： （1）條形磁鐵過大且不能附著在試管外壁，操作不便;（2）鐵釘在高溫下暴露于酸霧中，導致鐵釘也會參與反應，干擾實驗現(xiàn)象;（3）反應結束后具支試管內部殘留的SO2氣體無法被濃NaOH溶液吸收;（4）反應生成的CuSO4在濃H2SO4中往往不易呈現(xiàn)明顯的藍色。

方案三： 如圖6所示實驗裝置[6]。利用小磁鐵與封鐵玻璃管之間的引力控制反應進程，既保證裝置內部的氣密性也增加了實驗的趣味性。但是制作封鐵玻璃管的過程較為繁瑣，若密閉性不好，玻璃管內部的鐵絲同樣會與濃硫酸發(fā)生反應，并且用打氣筒鼓氣并不能排盡裝置內部產生的SO2氣體。反應結束待試管冷卻后將反應液倒入盛有水的另一試管內，才能明顯觀察到CuSO4溶液的藍色，操作復雜且SO2氣體會逸出污染環(huán)境。

方案四： 如圖7所示實驗裝置[7]。將98%的濃硫酸稀釋為80%進行實驗，反應后更容易呈現(xiàn)硫酸銅溶液的藍色現(xiàn)象。將裝有品紅溶液和石蕊溶液的試管更換為品紅試紙和石蕊試紙，體現(xiàn)了試劑微量化的特點。消除了溶液倒吸的問題，同時連接洗耳球的導管伸入試管內部，能較大程度地排除具支試管內殘留的SO2氣體。不足之處在于蘸有氫氧化鈉溶液的脫脂棉對SO2氣體吸收能力有限，會有部分SO2氣體逸出造成環(huán)境污染。

3 銅與濃硫酸反應實驗裝置的一體化新設計

基于對上述實驗方案的分析，筆者決定取其精華，以自制的帶平臺的直角玻璃管為實驗載體，將銅絲一端繞成螺旋狀，另一端纏繞于B型磁力攪拌子上，將纏繞銅絲后的B型磁力攪拌子放入玻璃管的直角一端，將磁環(huán)套在玻璃管外部。向玻璃管直角處加入5mL 98%的濃硫酸，用酒精燈在玻璃管直角處下端加熱。利用磁環(huán)對B型磁力攪拌子的吸力，上下拉動磁環(huán)從而控制反應的發(fā)生與停止。采用浸有品紅溶液和石蕊溶液的脫脂棉驗證生成的SO2氣體并進行其性質實驗，減少了試劑的用量，引入球形干燥管則可有效防止溶液倒吸。實驗結束，利用單連打氣球在左端鼓氣，排盡玻璃管內產生的SO2氣體。待玻璃管冷卻后通過注射器向玻璃管內注入適量蒸餾水，將反應后生成的CuSO4溶液進行稀釋，從而呈現(xiàn)更加明顯的藍色。筆者利用自制的帶平臺的直角玻璃管、B型磁力攪拌子、磁環(huán)、注射器、球形干燥管等實驗器材，設計出一種反應可控、倒吸可防、污染可除，同時具有趣味性、現(xiàn)象明顯、成功率高的實驗裝置，從而更好地為高中化學教學服務。

3.1 儀器與藥品

儀器： 硬質玻璃管、B型磁力攪拌子、磁環(huán)、鐵架臺（帶鐵夾）、單連打氣球、球形干燥管、膠頭滴管（2個）、橡膠塞（3個）、直角導管、5mL注射器、100mL燒杯、酒精燈、鑷子、酒精噴燈、火柴

藥品： 市售濃硫酸（98%）、銅絲（長約20cm）、品紅溶液、石蕊溶液、飽和氫氧化鈉溶液、脫脂棉、蒸餾水

3.2 制作帶平臺的直角玻璃管

選一支長約40cm、內徑20mm、外徑24mm的硬質玻璃管，用記號筆在其三等分點附近做好標記。點燃酒精噴燈，用雙手水平握住玻璃導管的兩端，先用酒精噴燈在第一個三等分點附近均勻加熱，然后集中火焰加熱。加熱過程中注意要不停地朝一個方向勻速旋轉，使其受熱均勻。待玻璃管加熱至紅軟狀態(tài)時脫離火焰，然后水平向內均勻用力，一次性彎成90°。待玻璃管冷卻后重復上述操作，將第二個三等分點反方向彎曲成120°，冷卻后帶平臺的直角玻璃管便制作完成了。

3.3 實驗裝置圖

如圖8所示。

3.4 實驗操作步驟

（1） 按圖8所示連接好實驗裝置，檢查裝置的氣密性。

（2） 用膠頭滴管從左口向玻璃管直角處加入5mL 98%的濃硫酸，然后分別用品紅溶液和紫色石蕊溶液將兩團脫脂棉潤濕，用鑷子分別將浸有品紅溶液和紫色石蕊溶液的脫脂棉從左到右放到玻璃管內的平臺上，二者相距4cm左右。

（3） 選取一段20cm長的銅絲，上端纏繞于B型磁力攪拌子上，下端繞成螺旋狀，長約3cm。將綁有銅絲的B型磁力攪拌子放于直角玻璃管左上部，將磁環(huán)放于玻璃管外部從而固定內部銅絲的位置。

（4） 將帶有單連打氣球的橡膠塞塞進直角玻璃管的左上口。將一根兩端帶有橡膠塞的直角導管的一端插入球形干燥管中，另一端插入平臺右端的玻璃管中。然后將球形干燥管伸入盛有飽和氫氧化鈉溶液的燒杯中。

（5） 點燃酒精燈，加熱濃硫酸至沸騰，斜向下推動磁環(huán)使銅絲與濃硫酸接觸反應，片刻后可觀察到浸有品紅溶液的脫脂棉褪色，浸有紫色石蕊溶液的脫脂棉變紅。此時向左上方拉動磁環(huán)，反應迅速停止。將燃著的酒精燈移動至浸有品紅溶液的脫脂棉下面加熱，發(fā)現(xiàn)浸有品紅溶液的脫脂棉再次變紅，從而驗證SO2氣體的漂白性具有不穩(wěn)定性。

（6） 待直角玻璃管冷卻后，用注射器吸取5mL的蒸餾水從左上角的橡膠塞插入，將蒸餾水注入直角玻璃管內。稍加振蕩，即可出現(xiàn)非常明顯的藍色溶液，同時彎管內部幾乎沒有黑色沉淀生成。

（7） 用單連打氣球從左上角向玻璃管內部鼓氣，將裝置內部殘留的SO2氣體全部排出被飽和氫氧化鈉溶液吸收。

3.5 一體化實驗裝置的優(yōu)點

（1） 將銅絲纏繞于B型磁力攪拌子上，通過磁環(huán)的吸力控制銅絲的位置進而控制反應的發(fā)生與停止。器材是實驗室常見儀器，廉價易得，且B型磁力攪拌子呈圓柱帶節(jié)型，纏繞銅絲非常方便。攪拌子外部材質為聚四氟乙烯，耐酸耐堿耐高溫，穩(wěn)定可靠。磁環(huán)由于與攪拌子因引力被牢牢吸附在玻璃管外壁，解放雙手的同時也增添了實驗的趣味性。

（2） 實驗主體裝置為帶平臺的直角玻璃管，易于加工，且可以反復使用，也可以推廣到其他實驗中。整個裝置器材易得、組裝簡易。不僅適用于教師演示實驗，也適用于學生分組實驗。

（3） 用浸有石蕊溶液和品紅溶液的脫脂棉代替盛有石蕊溶液和品紅溶液的試管進行實驗，減少了試劑的用量，同時增大了反應的接觸面積，顏色變化更為明顯。

（4） 裝置冷卻后，用注射器向直角玻璃管內部加入適量蒸餾水，將玻管底部生成的白色固體CuSO4轉化為藍色的CuSO4溶液。解決了許多改進實驗中藍色現(xiàn)象不明顯的問題。

（5） 反應結束后，在左上方擠壓單連打氣球，使殘留的SO2氣體經(jīng)右邊平臺排出，可以最大程度地將整個裝置內部的SO2氣體全部排盡，被飽和NaOH溶液吸收。解決了諸多改進裝置進氣口和出氣口都在同一位置，很難將產生的SO2氣體全部排盡的問題，符合環(huán)保理念。

（6） 球形干燥管的加入有效解決了溶液倒吸引發(fā)的安全問題。

參考文獻：

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