銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案的新設(shè)計(jì)

陳海濤

摘要：針對(duì)銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)存在的不足，提出一套新的改進(jìn)方案。在試管外用磁鐵吸引試管內(nèi)的封鐵玻璃管，帶動(dòng)繞成螺旋狀的銅絲沿著試管內(nèi)壁上下滑動(dòng)，可使銅和濃硫酸分離或接觸，及時(shí)控制該反應(yīng)的停止或發(fā)生。新改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器裝置簡(jiǎn)單、操作方便、節(jié)約藥品、安全環(huán)保。

關(guān)鍵詞：銅與濃硫酸；控制反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）10–0065–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

銅與濃硫酸反應(yīng)是高中化學(xué)的重要演示實(shí)驗(yàn)之一。新課程3個(gè)版本的化學(xué)教科書對(duì)銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)，但在實(shí)際操作中仍有若干不足之處。下面先對(duì)教科書以及文獻(xiàn)中的某些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)作一簡(jiǎn)要分析。

1.1 新課程教科書中選用的銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1.1.1 蘇教版教材[1]

（1）在觀察到品紅溶液褪色后，不能立刻使銅片和濃硫酸分離而使反應(yīng)停止。

（2）為了防止倒吸，必須先把導(dǎo)管從品紅溶液中取出后再停止加熱，由于此時(shí)銅與濃硫酸接觸仍然在發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的二氧化硫直接擴(kuò)散到空氣中污染空氣，影響師生身體健康。

（3）試管和導(dǎo)管里充滿了二氧化硫，檢驗(yàn)銅片和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物硫酸銅時(shí)，打開單孔塞后，二氧化硫直接擴(kuò)散到空氣中污染空氣，影響師生身體健康。

1.1.2 上科版教材[2]

沒有加熱裝置，該反應(yīng)非常緩慢，所需時(shí)間太長(zhǎng)，不適合做課堂演示實(shí)驗(yàn)。

1.1.3 人教版教材[3]

（1）銅絲從膠塞側(cè)面挖的凹槽進(jìn)入試管，由于摩擦很大，若銅絲細(xì)則會(huì)拉斷，若銅絲粗則有時(shí)會(huì)拉掉膠塞，實(shí)際操作中非常不便。

（2）缺少尾氣吸收裝置，產(chǎn)生的二氧化硫直接擴(kuò)散到空氣中污染空氣，影響師生身體健康。

（3）試管和導(dǎo)管里充滿了二氧化硫，檢驗(yàn)銅片和濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物硫酸銅時(shí)，打開單孔塞后二氧化硫直接擴(kuò)散到空氣中污染空氣，影響師生身體健康。

1.2 部分文獻(xiàn)中介紹的改進(jìn)方案

文獻(xiàn)上介紹的一些改進(jìn)方案有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足[4～7]。

（1）圖4所示實(shí)驗(yàn)裝置，硅酮膠固化所需時(shí)間長(zhǎng)，制作不方便。硅酮膠和塑料管都不耐熱，很難第二次使用。塑料管很軟，插入膠塞中又不漏氣很難辦到。蘸有氫氧化鈉溶液的棉球中氫氧化鈉溶液量不好控制，氫氧化鈉溶液少則吸收二氧化硫效果不好，氫氧化鈉溶液多會(huì)流入品紅溶液中與通入的二氧化硫反應(yīng)影響實(shí)驗(yàn)。

（2）圖5所示實(shí)驗(yàn)裝置，可以防止倒吸，能減少試管和導(dǎo)管中殘留的二氧化硫氣體，但無法實(shí)現(xiàn)銅片和濃硫酸分離而使反應(yīng)停止。

（3）圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置，能實(shí)現(xiàn)銅與濃硫酸的分離而使反應(yīng)停止，也解決了防倒吸問題和裝置中殘留二氧化硫的問題，但將銅絲抽離濃硫酸時(shí)不夠方便。

（4）圖7所示實(shí)驗(yàn)裝置，用磁鐵吸引鐵釘帶動(dòng)銅絲實(shí)現(xiàn)了銅絲和濃硫酸的分離或接觸，從而實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)的停止或發(fā)生。解決了防倒吸問題，但仍有不足：①條形磁鐵太大，不能貼附在試管外壁，始終用手拿著吸引鐵釘，操作時(shí)不方便。②加熱時(shí)濃硫酸沸騰會(huì)接觸到裸露的鐵釘干擾實(shí)驗(yàn)。③沒能解決裝置中殘留的二氧化硫問題。

通過上述對(duì)新課程不同版本的教科書以及某些文獻(xiàn)中銅與濃硫酸反應(yīng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的比較分析，筆者經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和不斷改進(jìn)，吸收優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)不足，提出了比較理想的改進(jìn)方案：使用封鐵玻璃管，可避免鐵與濃硫酸接觸反應(yīng)；使用從包裝盒上拆下的質(zhì)量小、磁性強(qiáng)的小磁鐵，能吸引繞著銅絲的封鐵玻璃管停留在試管內(nèi)壁的任意位置，隨意控制該反應(yīng)的發(fā)生或停止。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 及時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生與停止

在試管外用小磁鐵吸引試管內(nèi)的封鐵玻璃管，帶動(dòng)繞成螺旋狀的銅絲沿著試管內(nèi)壁上下滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了銅和濃硫酸的分離或接觸，從而控制該反應(yīng)的停止或發(fā)生。小磁鐵和封鐵玻璃管的質(zhì)量都很小，但兩者間的引力卻相對(duì)較大。在兩者之間的引力及兩者與試管壁摩擦力的作用下，可使繞著銅絲的封鐵玻璃管停留在試管內(nèi)壁的任意位置，即可以隨意控制該反應(yīng)的發(fā)生或停止。將鐵絲密封在小玻璃管內(nèi)是為了防止鐵與濃硫酸接觸反應(yīng)。用酒精噴燈加熱膠頭滴管的玻璃管就能很容易將鐵絲封裝在玻璃管中。實(shí)驗(yàn)中小磁鐵的來源，可以提前發(fā)動(dòng)學(xué)生收集某些包裝盒上的小磁鐵或廢舊耳機(jī)上的磁鐵。小磁鐵直徑10～20mm，厚度1～3mm較合適。如果收集到的磁鐵直徑小，可以幾個(gè)疊在一起使用。

2.2 防止倒吸和污染

觀察到品紅溶液褪色后，向試管口方向滑動(dòng)小磁鐵，使銅和濃硫酸分離而使反應(yīng)停止。用氣球打氣筒向盛有濃硫酸的試管中打氣，不僅可以防止倒吸，還可以使試管和導(dǎo)管里殘留的二氧化硫在空氣的驅(qū)動(dòng)下導(dǎo)入氫氧化鈉溶液中被吸收以防止污染空氣。

3 實(shí)驗(yàn)器材和藥品

（1）器材：帶鐵夾的鐵架臺(tái)（三個(gè)）、大試管（三支）、酒精燈或酒精噴燈、雙孔塞（兩個(gè)）、橡膠管（兩個(gè)短的、一個(gè)長(zhǎng)的）、氣球打氣筒、小磁鐵（禮品盒或廢舊耳機(jī)拆下的）、鐵絲或去掉釘帽的鐵釘（直徑3～5mm，長(zhǎng)約30mm較合適）、膠頭滴管。

（2）藥品：濃硫酸、銅絲、品紅溶液、氫氧化鈉溶液。

（3）制作封鐵玻璃管：把膠頭滴管去掉膠頭，作為玻璃管用（或直接用細(xì)玻璃管）。取直徑3～5mm，長(zhǎng)約30mm的鐵絲，放在玻璃管內(nèi)靠近較細(xì)端。用兩把鑷子分別夾住玻璃管的兩端，在酒精燈或酒精噴燈上先預(yù)熱，再左右移動(dòng)加熱鐵絲部位的玻璃管。當(dāng)玻璃管變軟后拉伸，先使細(xì)端封好，再燒圓。用鑷子側(cè)面較平整部位趁熱壓一下燒圓的端頭，就會(huì)使端頭變粗，形成一個(gè)玻璃疙瘩，便于纏繞銅絲，以免銅絲滑落。再繼續(xù)加熱鐵絲部位的玻璃管中間部位和另一端，變軟后拉伸，先使另一端封好，再燒圓，用鑷子側(cè)面較平整部位壓一下，也形成一個(gè)玻璃疙瘩。到此，鐵絲就被密封在玻璃管內(nèi)了，而且兩端都有小玻璃疙瘩，就像一個(gè)小啞鈴，銅絲纏繞其上就不易脫落。由于玻璃加熱到一定溫度有變軟且粘稠的特性，故特別容易加工。

4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

如圖8所示。

5 實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1）如圖8連接好實(shí)驗(yàn)裝置，檢查并確保裝置的氣密性。

（2）分別向三支大試管中加入5mL 98%的濃硫酸、品紅溶液、濃氫氧化鈉溶液，用鐵夾夾好。

（3）截取一段約30cm的銅絲，纏繞在封鐵玻璃管上。將封鐵玻璃管沿大試管內(nèi)壁滑入大試管內(nèi)，在大試管外用小磁鐵吸引，調(diào)整銅絲位置在試管中上部。

（4）用酒精燈先預(yù)熱再集中在盛濃硫酸試管底部加熱至沸騰。

（5）拿掉小磁鐵，封鐵玻璃管沿大試管內(nèi)壁滑入大試管底部，銅絲與濃硫酸反應(yīng)。

（6）品紅溶液褪色后，用小磁鐵吸引，并且沿著試管外壁向管口方向滑動(dòng)，使繞成螺旋狀的銅絲與濃硫酸分開，反應(yīng)停止。

（7）用氣球打氣筒打氣。將裝置內(nèi)殘留的二氧化硫氣體排出到氫氧化鈉溶液中被吸收，熄滅酒精燈，再打氣幾次。

（8）待盛濃硫酸的大試管冷卻后，把試管里的部分液體慢慢倒入盛有少量水的另一支試管里，觀察溶液顏色。

6 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1）在試管外用小磁鐵吸引試管內(nèi)的封鐵玻璃管，能夠及時(shí)控制該反應(yīng)的發(fā)生或停止。小磁鐵和封鐵玻璃管能夠停留在試管壁的任意位置，操作非常方便。

（2）實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單易得，封鐵玻璃管易于加工，實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，學(xué)生容易理解和接受。

（3）小磁鐵和封鐵玻璃管在實(shí)驗(yàn)中不易損壞。該裝置可以反復(fù)使用，下次實(shí)驗(yàn)只需添加銅絲，更換藥品，連續(xù)幾個(gè)班級(jí)演示實(shí)驗(yàn)都不成問題。

（4）用氣球打氣筒向盛有濃硫酸的試管中打氣，不僅可以防止倒吸，還可以使試管和導(dǎo)管里殘留的二氧化硫氣體在空氣的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入氫氧化鈉溶液中被吸收，并且加快了試管內(nèi)液體混合物的冷卻速度，縮短了演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

（5）整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中氣密性較好，二氧化硫逸出到空氣中的量很少，不會(huì)影響師生的身體健康，不污染環(huán)境。

（6）發(fā)動(dòng)學(xué)生收集實(shí)驗(yàn)中使用的小磁鐵和氣球打氣筒，使學(xué)生能夠參與到實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備活動(dòng)當(dāng)中，能較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性。

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