羅金虹++劉茜
【摘要】對高中化學(xué)人教版教材《化學(xué)1(必修)》中“銅與濃硫酸反應(yīng)”實驗的裝置進行了改進,改進后可同時檢驗SO2的漂白性、還原性和酸性,增加了簡易尾氣吸收裝置。分析了實驗過程中上層溶液呈綠色的原因并進行實驗驗證。結(jié)果表明,棕黃色的熱濃硫酸與藍(lán)色水合銅離子混合導(dǎo)致上層溶液呈綠色。
【關(guān)鍵詞】銅;濃硫酸;實驗改進;綠色溶液
【中圖分類號】G633.8 【文獻標(biāo)識碼】B 【文章編號】2095-3089(2017)02-0276-02
Cu與濃H2SO4反應(yīng)實驗是高中化學(xué)教材中經(jīng)典的實驗之一,旨在讓學(xué)生理解濃硫酸的強氧化性及SO2的檢驗方法[1]。按照高中化學(xué)人教版教材《化學(xué)1(必修)》第101頁圖4-32操作,實驗過程中會遇到以下情況:在橡膠塞上直接抽拉銅絲不易操作,抽動銅絲時可能會使橡膠塞與銅絲的接觸處漏氣;該裝置可以驗證二氧化硫的漂白性,但不能體現(xiàn)SO2的其它性質(zhì),如酸性和還原性;沒有尾氣吸收裝置;可能發(fā)生倒吸現(xiàn)象,給實驗帶來安全隱患[2]。針對以上不足,我們從綠色環(huán)保、裝置簡約安全等角度對該實驗進行了改進,并對實驗條件及實驗現(xiàn)象進行了討論。
一、實驗改進
1.實驗藥品與儀器
藥品:98%濃硫酸溶液、高錳酸鉀溶液、紫色石蕊溶液、堿性品紅溶液、20%氫氧化鈉溶液。
儀器:鐵架臺、具支試管、量筒、繞成螺旋狀的銅絲、單孔橡膠塞、T形管、橡膠帽、雙聯(lián)打氣球、長直玻管、氣球、棉花、試紙、橡膠管、止水夾。
2.實驗過程
實驗裝置如圖1所示。將銅絲灼燒至綠色火焰消失后,用砂紙反復(fù)打磨,再將其穿過與T形管連接好的膠帽。使用膠帽既避免了裝置漏氣又方便了抽拉銅絲。在長直玻璃管中從左向右依次放入潤濕的品紅試紙、紫色石蕊試紙、高錳酸鉀試紙,三個試紙分別檢驗SO2的漂白性、酸性和還原性。如圖1連接好實驗裝置,檢查裝置的氣密性。用量筒量取一定體積的98%的濃硫酸溶液倒入具支試管中,塞好橡膠塞。將用20%的氫氧化鈉溶液浸濕的棉花放入裝置尾部的氣球中,其作用是除去反應(yīng)中剩余的SO2氣體。
實驗開始前,銅絲先遠(yuǎn)離濃硫酸液面,待濃硫酸加熱一定時間后,將銅絲放入硫酸溶液中,此時觀察到溶液中有大量氣泡產(chǎn)生,伴隨產(chǎn)生少量黑色沉淀。隨著實驗的進行,黑色沉淀部分消失,上層溶液呈綠色,下層有灰白色固體析出。記錄下玻璃管中全部試紙完全變色的時間,迅速將銅絲抽離液面,移開酒精燈。打開止水夾,用雙聯(lián)打氣球向整個裝置緩緩鼓氣,排盡裝置中殘余的氣體。用酒精燈預(yù)熱的方式對反應(yīng)后的品紅試紙進行加熱,發(fā)現(xiàn)試紙由白色變?yōu)榧t色。
由此可見,該裝置簡約一體化。裝置中銅絲抽拉方便,依次放置的三個試紙將SO2 的檢驗與性質(zhì)清晰地展現(xiàn),雙聯(lián)打氣球與尾部蘸有NaOH溶液的棉花聯(lián)用對實驗進行了尾氣處理,達到了環(huán)保目的[3]。
二、探究實驗過程中溶液上層呈綠色原因
1.提出猜想
在銅與濃硫酸反應(yīng)的實驗過程中,觀察到上層溶液顏色呈綠色。對這一現(xiàn)象,文獻中有多種解釋。如翟菊紅等認(rèn)為:“反應(yīng)過程中Cu片上的Cu2S、CuS(黑色)掉落,與淡黃色固體S、少量藍(lán)色CuSO4水合物混合,將調(diào)合成黑綠色濁液”[4]。夏立先等認(rèn)為:“銅表面沾附氯元素(聚氯乙烯)、反應(yīng)儀器和藥品沾附無機含氯化合物都可能導(dǎo)致溶液呈綠色”[5]。
實驗前,我們將銅絲灼燒至綠色火焰消失,以消除氯元素的干擾,再用砂紙將銅絲打磨干凈。但在實驗的過程中,我們發(fā)現(xiàn)上層溶液仍然呈綠色。是什么原因?qū)е铝诉@一現(xiàn)象的發(fā)生呢?反應(yīng)后的上層溶液中含有銅離子和濃硫酸,溫度較高時,水合硫酸分子離解,產(chǎn)生一定數(shù)量的自由水分子(H2SO4(aq)+nH2O(l) H2SO4·nH2O(aq);△H < 0)。這些自由水分子與Cu2+絡(luò)合形成藍(lán)色絡(luò)合物:Cu2+(無色)+4H2O [Cu(H2O)4]2+(藍(lán)色)。我們猜想溶液呈綠色可能是藍(lán)色與其它顏色的混合色。我們將98%濃硫酸加熱后,發(fā)現(xiàn)其顏色為棕黃色。而藍(lán)色與黃色混合色恰好是綠色。因此我們認(rèn)為,上層溶液的顏色與濃硫酸及其中含有的Cu2+有關(guān)。
2.實驗驗證
(1)將五水硫酸銅與濃硫酸混合加熱,觀察到其上層溶液顏色呈綠色。將五水硫酸銅換成無水硫酸銅重復(fù)上述實驗,觀察到上層溶液顏色仍然呈綠色。硫酸銅與濃硫酸不反應(yīng),該實驗說明,上層清液顏色變化由濃硫酸和硫酸銅混合所致。
(2)用氫氧化鈉溶液滴定銅與濃硫酸反應(yīng)的上層清液,到達終點后溶液變?yōu)樗{(lán)色。
(3)取相同體積的飽和硫酸銅溶液于兩個錐形瓶中。在第二個錐形瓶中加入濃硫酸,加熱,溶液由藍(lán)色變?yōu)榫G色。再用氫氧化鈉溶液滴定至恰好有藍(lán)色沉淀出現(xiàn)而不消失,此時,溶液又呈藍(lán)色。向第一個錐形瓶中加蒸餾水至與第二個錐形瓶中溶液體積相等,觀察到它們的顏色相同。該實驗說明,濃硫酸在上層溶液的變色中有重要作用。
(4)驗證棕黃色溶液與藍(lán)色溶液混合得到綠色溶液。
實驗1:取1號實驗上層清液1mL,再加入5~6mL蒸餾水混合振蕩均勻。
實驗2:取0.5g五水硫酸銅加入2mL濃硫酸加熱后取上層清液1mL。
實驗3:將0.1g重鉻酸銨溶于300mL水中配成棕黃色溶液。取1 mL飽和硫酸銅溶液與15mL重鉻酸銨溶液混合振蕩均勻。
實驗4:取0.2g的六水三氯化鐵溶于40mL水中配成溶液呈黃色,取5滴飽和硫酸銅溶液與10 mL三氯化鐵溶液混合振蕩均勻。
實驗5:將0.1g的干菊花茶加入300 mL水中加熱煮沸5~6分鐘,將水倒盡后繼續(xù)加入50 mL的冷水,溶液呈黃色。取2滴飽和硫酸銅溶液與5 mL茶水混合振蕩均勻。
以實驗1、2溶液的顏色為對象,將實驗3~5溶液的顏色分別進行對比,結(jié)果表明,實驗3~5溶液的顏色與1、2溶液的顏色相近。該實驗證明,黃色溶液與藍(lán)色溶液混合會得到綠色溶液,因此棕黃色濃硫酸溶液與藍(lán)色硫酸銅混合會得到綠色混合溶液。
三、結(jié)語
本次探究實驗對銅和濃硫酸反應(yīng)的實驗裝置進行了改進。改進后的裝置,可同時檢驗SO2的漂白性、還原性和酸性,且銅絲抽拉更方便更易控制,增加了尾氣吸收裝置,避免污染空氣。利用一系列顏色實驗證明,銅和濃硫酸反應(yīng)后的上層溶液呈綠色是因為棕黃色熱濃硫酸與藍(lán)色水合銅離子混合所導(dǎo)致。
參考文獻
[1]人民教育出版社化學(xué)室.全日制普通高級中學(xué)教科書(必修)化學(xué)[M].北京:人民教育出版社,2007.
[2]王春.基于綠色化學(xué)理念的高中新教材實驗改進[J].教學(xué)儀器與實驗,2010,(7):22~23.
[3]周剛.“銅與濃硫酸反應(yīng)”演示實驗的改進與組合[J].中學(xué)化學(xué),2015,(5):31.
[4]翟菊紅.銅與濃硫酸反應(yīng)共熱現(xiàn)象及原因分析[J].化學(xué)教育,2009,(9):70~71.
[5]夏立先,對銅與濃硫酸反應(yīng)溶液呈綠色的實驗探究[J].化學(xué)教學(xué),2015,(7):64~65.
作者簡介:羅金虹,(1994,11-)女,西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,四川蒼溪人,在讀研究生,主要從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究,課程教育研究,劉茜,(1978,09-)男,西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,四川樂至人,大學(xué)本科,講師,主要從事中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究。課程教育研究。endprint