高中化學濃硫酸和銅反應實驗改進探究

張宗濤

【摘 要】濃硫酸和銅反應實驗是高中化學教材中的一個重要實驗。為了提高化學反應速率，突出化學反應現(xiàn)象，便于觀察和探究，教材中設計的實驗方案和實驗方法有可改進之處。本文主要探究了對高中化學濃硫酸和銅反應實驗改進的方法和策略，通過簡單易行的操作進行實驗，做到操作簡便，節(jié)約藥品，利于環(huán)保，深化學生對化學原理的認識。

【關鍵詞】高中化學;濃硫酸;銅;實驗;改進

實驗是幫助學生理解化學知識，體會化學原理，深化認識化學規(guī)律的一種有效方法，在化學學習過程中具有舉足輕重的作用。學生通過動腦思考，設計實驗步驟，主動參與動手操作會把枯燥的學習過程變得妙趣橫生。在動手體驗中，學生會直觀地看到實驗現(xiàn)象，了解操作方法，明確其中的化學原理，形成深刻的認識和體會。教師要引導學生不斷地對實驗步驟和實驗過程進行創(chuàng)新，使學生能夠進行發(fā)散思維，大膽想象，主動實踐，通過創(chuàng)新性的方式來提高學生的理解能力，深化認識，實現(xiàn)對知識本質的掌握。

一、教材中實驗的不足

教材中的這個實驗的實驗現(xiàn)象不夠明顯，并且在實驗過程中存在著一定的藥品浪費的現(xiàn)象。實驗過程種銅絲插在膠塞的凹槽種，氣密性不是很好，而且在檢驗SO2時紫色石蕊試液或品紅溶液，氣體用量非常大，導致實驗時間很長，還容易造成倒吸現(xiàn)象。實驗過程中，為了觀察硫酸銅溶液的顏色就需要將裝置橡膠塞打開，倒出來溶液時會有在實驗過程中沒有反應的銅片會繼續(xù)和濃硫酸反應，生成有毒的二氧化硫逸出，這種氣體對環(huán)境存在著很大的污染不利于環(huán)境保護?；瘜W實驗的目的就是讓學生通過動手操作能夠直觀地看到實驗現(xiàn)象，體會實驗的神奇和變化，可是原來的實驗并不能讓學生很好地看到實驗現(xiàn)象，失去了實驗的目的和價值，而且實驗裝置的氣密性不足，也會影響實驗效果，需要通過改進的方式來幫助學生直觀地看到實驗現(xiàn)象，幫助學生在觀察現(xiàn)象中理解規(guī)律，形成對知識的客觀性認識。同時教師要引導學生節(jié)約用各種化學藥劑，做到不浪費，更要從環(huán)保的角度來引導學生對實驗進行改進，避免環(huán)境的污染，提高學生的環(huán)保意識。

二、實驗改進的方面

（一）改變實驗裝置

為了避免實驗裝置氣密性不足或者是不容易取出銅片的問題，可以改變實驗裝置，設計如圖所示的實驗裝置來將適量銅片直接放入到Y型試管的一端而不是普通的試管。這樣的實驗裝置簡單且易于操作，在實驗過程中進行實驗用時較短，而且可以很直觀、明確地看到實驗現(xiàn)象。實驗中把試管變成Y型管，整個實驗過程中所需要的試劑明顯減少，避免了實驗藥品的浪費。同時，實驗除了常規(guī)的尾氣吸收外，不需要再打開實驗裝置，使剩余的SO2不會逸出，可以說不容易造成環(huán)境污染，對于環(huán)保具有積極價值。

（二）改變實驗試紙

為了避免檢驗SO2時紫色石蕊試液或品紅溶液，氣體用量較大，實驗時間長，造成的倒吸問題，可以改用濕潤的藍色的石蕊試紙和品紅試紙檢驗SO2的生成。在實驗過程中，需要用鑷子將濕潤的藍色石蕊試紙放入到玻璃管中，在裝置的末端塞上蘸有濃氫氧化鈉溶液的棉花。通過加熱會看到左管會使?jié)饬蛩岱序v，反應過程中會有氣泡出現(xiàn)，隨后品紅試紙就會褪色，藍色的石蕊試紙也會變紅。通過改變實驗試紙化學反應現(xiàn)象呈現(xiàn)的更加清晰，學生會明確地看到試紙顏色的變化，在觀察中看到實驗現(xiàn)象，體會到實驗的變化，進而體會到實驗的價值和意義，形成對實驗的深刻認識和理解。在實驗過程中還可以用堿石灰吸收多余的SO2。

（三）改變實驗操作

實驗結束后要觀察生成的硫酸銅溶液顏色時，不用把溶液傾倒出來，直接用注射器向Y型試管右管注入蒸餾水就可以。注入蒸餾水會稀釋溶液，但并不會改變溶液，可以觀察到實驗后溶液的顏色，就是顏色稍微淺一些。當注入蒸餾水之后，只需要微微傾斜Y型管，使左管溶液緩慢流入右管，就可以很直觀地觀察溶液顏色。學生會看到右管中的溶液是藍色的。

（四）改變尾氣處理

在傳統(tǒng)的實驗中尾氣并沒有有效處理。為了避免空氣污染，可以通過在實驗結束后注入碳酸鈉溶液的方式來處理尾氣。采用這種方法主要是利用了實驗過程中產(chǎn)生的CO2將殘留的SO2排出吸收，同時處理了余酸。

三、改進的實驗步驟和現(xiàn)象

（一）準備實驗裝置

在動手操作過程中，學生首先要用Y型試管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)試管，進行實驗儀器的安裝和準備。當一切準備就緒后，動手操作，裝置好如圖所示的實驗裝置圖。Y形試管的一端是用于排出氣體的，可以用一個氣球來搜集氣體，避免了環(huán)境的污染。在實驗過程中，首先去適量的濃硫酸加入到Y形試管中，用量不要太多，最好不要超過試管體積的三分之一。實驗中所使用的膠塞是單孔膠塞，將5ml的注射器插入到膠塞中。在注射器的末端需要系上一段細銅絲，并在細銅絲的另一端系上一段螺旋狀的粗銅絲，用于化學反應。為了使銅能夠接觸到濃硫酸就需要推動注射器柱塞，當銅與濃硫酸接觸時化學反應就開始了。為了使反應結束，學生只需要輕輕拉出注射器的柱塞就可以了。為了更好地觀察實驗現(xiàn)象，需要在硬質的玻璃管中分別放上濕潤的品紅試紙、濕潤的石蕊試紙，在燒杯中加入適量飽和NaOH溶液。

（二）加熱酒精燈

用酒精燈加熱濃硫酸就會看到神奇的實驗現(xiàn)象。學生會看到加熱濃硫酸會產(chǎn)生大量的白霧，并且在直形玻璃管處有水珠生成。這種白霧實際上是一種酸霧，是化學反應生成了SO2和H2O。這兩種物質在試管中也會發(fā)生化學反應，生成了H2SO3。也可能是濃硫酸在加熱時蒸發(fā)了水，濃硫酸的濃度不斷變高，產(chǎn)生了SO3。同時，酒精燈加熱Y形試管時，品紅試紙無色恢復紅色，紅色石蕊試紙不變色。

（三）觀察實驗現(xiàn)象

等到實驗結束時，要使試管中的濃硫酸與金屬銅脫離開來，移去酒精燈，加熱硬質玻璃管，這時候就可以清楚地觀察試紙顏色的變化。觀察中，學生會看到硬質玻璃管中品紅試紙由紅色變?yōu)闊o色，藍色石蕊試紙會由藍色變成紅色。這說明SO2具有漂白性，可以使品紅溶液褪色;藍色石蕊試紙變?yōu)榧t色說明SO2是一種酸性氣體。通過學生對實驗現(xiàn)象的分析會透過這些實驗現(xiàn)象看到知識本質，形成對實驗的深刻認識，升華對知識的理解。在對試管內的溶液進行觀察時，學生會看到加熱結束后，試管內液體變?yōu)闇\綠色，試管底部由灰色粉末狀沉淀，銅絲末端有少量黑色固體。通過對其原因進行分析和思考，學生會認識到因為濃硫酸具有吸水性，可以吸收部分生成的水，形成水合硫酸分子。當溫度比較高的時候，水合硫酸分子離解，就會產(chǎn)生一定數(shù)量的自由水分子，這些自由水分子會使銅離子絡合為四水絡銅例子。但是當不加熱試管時，試管的溫度就會下降，硫酸分子吸附水分子的能力會增強，使絡合平衡向左移動，溶液顏色變淺，甚至變成無色。

（四）探究沉淀物質

在對實驗最后的溶液進行觀察時會看到有藍色溶液生成，并且有少量灰色不溶物。這些固體可能是化學反應的副產(chǎn)物，可能是濃硫酸的氧化性氧化了銅，教師需要引導學生通過化學的方式來驗證，鼓勵學生通過檢驗的方式來驗證自己的猜測。實踐中，學生可以把黑色固體浸沒在稀硫酸中，因為數(shù)量比較少，也沒有辦法加快反應速率，所以看不出來黑色固體有明顯變化，很難確定物質是什么。通過進一步思考和探究，學生會認識到濃硫酸在與銅反應的過程中，隨著溫度升高，氧化性也會不斷提高。由于氧化能力不同，銅被氧化的產(chǎn)物也不一樣，會首先產(chǎn)生氧化物，之后產(chǎn)生硫化物，達到沸點時氧化能力最強，會形成CuSO4。之前產(chǎn)生的中間物質黑色沉淀在這個過程中也會被氧化為白色CuSO4。學生在思考中會更好地理解SO2的氧化性質，升華學生對知識的認識。

四、總結實驗原理

因為SO2有一定的毒性，對環(huán)境造成了污染，在實驗過程中就要避免污染環(huán)境的現(xiàn)狀出現(xiàn)。教師要通過有效的實驗操作來凈化空氣。實驗過程中采用Y型試管的方式來操作實驗，實驗用的藥劑明顯減少，而且在用試紙檢驗生成的SO2過程中所需要的氣體也很少，減少了對環(huán)境的污染。而且實驗中采用蘸有濃氫氧化鈉的棉球作為吸收劑，有利于充分吸收多余的SO2，消除SO2對環(huán)境的不利影響。在實驗過程中，SO2的水溶液能夠使藍色石蕊試紙變成紅色，說明了SO2具有一定的酸性;而且能夠使?jié)駶櫟钠芳t試紙褪色，說明了SO2具有漂白性;而且在實驗最后可以用氫氧化鈉吸收尾氣，說明了SO2具有氧化性。通過學生的深入分析和探究，學生會透過表面看到現(xiàn)象，形成對知識的深刻認識，在分析中把握知識本質。實驗中，SO2容易溶于水，學生在觀察到試紙變色后可以注入水，保證裝置內氣體不被提前溶解。同時，為了避免實驗過程中的倒吸現(xiàn)象，可以采用濕潤的試紙進行實驗，會有效避免倒吸現(xiàn)象。實驗最后溶液中可能會存在一定的濃硫酸，在注入蒸餾水時，會防止液體飛濺，并且利用無色溶液稀釋后變藍可以證明有硫酸銅物質生成。在對實驗原理的分析中，學生會更好地體會濃硫酸的強氧化性，理解濃硫酸的氧化性表現(xiàn)在硫元素價態(tài)的變化上，鞏固SO2的性質及檢驗方法。在學生的體驗中，學生主動思考和探究，發(fā)揮了學生的創(chuàng)造性和創(chuàng)新型，有利于學生探究能力的提高，對于學生的全面發(fā)展具有積極作用。

總之，通過學生對濃硫酸和銅反應實驗改進，學生在探究中發(fā)揮了主體作用，積極思考和探究，根據(jù)化學反應原理和化學變化來思考有效的化學操作，在體驗中看到了實驗現(xiàn)象。學生在體驗過程中主動地思考知識，探究規(guī)律，充分地發(fā)揮了主觀能動性，活躍了學生的思維，幫助在思考中內化知識，提高能力，進而落實核心素養(yǎng)。

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