銅與濃硫酸反應裝置的新設計

張苗　萬鑫潔　彭新月

摘要： 針對現(xiàn)有教材以及文獻報道中“銅與濃硫酸反應”實驗裝置的不足進行改進。使用定制的下端開口的具支試管做反應容器，反應完后打開活塞即可檢驗銅離子；用T形塞代替橡膠塞，并在銅絲上涂凡士林，可輕松拉動銅絲控制反應進程；用脫脂棉柱吸收蒸發(fā)出來的酸霧，避免其對二氧化硫的檢驗產(chǎn)生干擾。新設計的裝置，能很好地控制反應進程，實驗現(xiàn)象明顯，且能驗證二氧化硫的漂白性、酸性及還原性。

關鍵詞： 銅與濃硫酸反應； 實驗裝置改進； 實驗探究； 具支試管

文章編號： 10056629（2023）11006504 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

銅與濃硫酸的反應是高中化學非常重要的演示實驗，對于學生理解濃硫酸的強氧化性具有重要作用。已有的多套高中化學教材，都對銅與濃硫酸的反應進行了不同的實驗設計，但在實際操作中仍存在一些不足，下面對教材及一些文獻中的改進實驗進行簡要分析。

1.1 教材實驗分析

1.1.1 蘇教版（新版）教材

蘇教版2020年（新版）教材的反應裝置如圖1所示［1］。實驗用銅片與濃硫酸反應，用品紅溶液檢驗生成的二氧化硫。該實驗裝置簡單易行，但該裝置還存在以下問題：

（1） 用銅片與濃硫酸反應，反應進程較難控制。且銅片與濃硫酸在溫度較低時會生成CuO、 CuS、 Cu2S等黑色副產(chǎn)物，影響后續(xù)對硫酸銅溶液的顏色觀察。

（2） 沒有防倒吸裝置，品紅溶液可能會倒吸至灼熱的試管中。

（3） 反應停止后，裝置中殘余的SO2沒有被完全吸收，拆除裝置時造成SO2逸出污染環(huán)境。

（4） 反應完后混合液中H2SO4溶液的濃度仍然很高，且濃硫酸的吸水性強于CuSO4，導致CuSO4以白色固體的形式沉積在試管底部，不易觀察到硫酸銅溶液的藍色。

1.1.2 滬科版教材

滬科版教材的反應裝置如圖2所示［2］。實驗利用抽氣裝置解決了溶液的倒吸問題，但還存在以下問題：

（1） 抽氣裝置在中學并不普及。

（2） 用銅片與濃硫酸反應，反應進程較難控制。且會生成較多的CuO、 CuS、 Cu2S等黑色副產(chǎn)物，影響后續(xù)觀察硫酸銅溶液的顏色。

（3） 反應完后H2SO4的濃度仍然很大，不易觀察到硫酸銅溶液的藍色。

1.1.3 人教版（新版）教材

人教版2019版（新版）教材的反應裝置如圖3所示［3］。該方案驗證了SO2的酸性，使用NaOH溶液吸收多余的SO2，裝置簡單，但該方案還存在以下問題：

（1） 銅絲與橡膠塞之間的摩擦力較大，在上下拉動銅絲的過程中可能拉出橡膠塞或損壞試管，操作很不方便。

（2） 沒有防倒吸裝置，品紅溶液可能會倒吸至灼熱的試管中。

（3） 反應完后混合液中H2SO4的濃度仍然很大，不易觀察到硫酸銅溶液的藍色。

（4） 浸有NaOH溶液的棉團不能將SO2完全吸收，拆除裝置時多余的SO2逸出污染環(huán)境。

1.2 對文獻已有改進實驗的分析

查閱銅與濃硫酸反應實驗的相關文獻，發(fā)現(xiàn)存在各自的優(yōu)點和不足，以下選擇具有代表性的幾類改進實驗作簡要評述。

（1） 實驗1［4］：銅絲從橡膠管中穿出，通過上下拉動銅絲控制反應進程，使用品紅溶液檢驗生成的SO2，用NaOH溶液吸收多余的二氧化硫氣體。但該裝置存在以下不足：①在上下拉動銅絲的過程中易帶出橡膠管；②反應完后混合液中H2SO4濃度很大，難以觀察到藍色的硫酸銅溶液；③裝置內(nèi)殘余的SO2氣體無法除去。

（2） 實驗2［5］：利用銅絲穿過膠頭滴管的膠帽，通過上下拉動銅絲，能較好地控制反應進程。使用洗耳球鼓出多余的SO2氣體，能防止裝置內(nèi)殘余的SO2污染環(huán)境。但該實驗的不足之處：①蘸有NaOH溶液的脫脂棉無法完全吸收SO2氣體。②加熱濃硫酸至沸騰時，濃硫酸酸霧會蒸發(fā)至右側(cè)玻璃管中，與石蕊試紙發(fā)生顯色反應。

（3） 實驗3［6］：將銅絲纏繞在攪拌子上，利用磁環(huán)吸引攪拌子上下移動，從而控制反應的發(fā)生與停止。反應完后將注射器中的水注入反應體系，可明顯觀察到溶液變藍。但該實驗仍存在以下不足：①攪拌子的磁性較弱，磁鐵有時無法吸住攪拌子。②反應完后混合液中H2SO4濃度仍然很大，直接將注射器中的水注入濃度較大的硫酸中，不符合濃硫酸的稀釋規(guī)則。③加熱蒸發(fā)出的酸霧也會與右側(cè)石蕊試紙發(fā)生顯色反應。

（4） 實驗4［7］：自制的“加料瓶”下端有一個開口，反應完畢后，打開單向閥，使混合液流入右下角盛水的燒杯中，可在燒杯中觀察到明顯的藍色。使用單向閥解決了NaOH溶液的倒吸問題。但“加料瓶”體積過大，所需的反應試劑量較多，且隔著石棉網(wǎng)加熱，加熱速率較慢。在上下拉動銅絲的過程中易將橡膠管拉出來，造成SO2氣體逸出。

為此筆者以教材原型實驗為基礎，結(jié)合改進實驗的優(yōu)點，通過反復的實驗，提出了一套新的改進方案。新方案能較好地控制反應進程，實驗現(xiàn)象明顯，有防倒吸裝置，且能一體化驗證二氧化硫的漂白性、酸性和還原性。

2 銅與濃硫酸實驗的新設計

2.1 實驗裝置

本實驗定制了一個下端開口的具支試管作反應容器，如圖4所示，使用該裝置能方便地檢驗生成的Cu2+。

完整的實驗裝置如圖5所示。

2.2 實驗用品

實驗儀器：定制的具支試管、硬質(zhì)玻璃管、酒精燈、雙聯(lián)打氣球、鐵架臺、漏斗、橡膠塞（2個）、T形塞（1個）、直角導管、100mL燒杯、火柴、鑷子、膠頭滴管

實驗藥品：銅絲（直徑1mm，長約20cm）、市售濃硫酸（98%）、品紅溶液、石蕊溶液、酸性高錳酸鉀稀溶液、脫脂棉、飽和NaOH溶液、蒸餾水

2.3 實驗步驟

（1） 如圖5所示連接好裝置，并檢查裝置氣密性。

（2） 用膠頭滴管吸取約4mL濃硫酸于定制試管中，在T形塞上面打兩個孔，孔徑分別為1mm和4mm（便于讓銅絲和雙聯(lián)打氣球穿過T形塞）。選擇一段直徑1mm、長約20cm的銅絲，下端繞成螺旋狀，長約2.5cm，在銅絲上端涂上凡士林后穿過T形塞。同時將雙聯(lián)打氣球穿過T形塞，并關閉雙聯(lián)打氣球上的止水夾，最后用帶有銅絲和打氣球的T形塞塞住試管口。

（3） 在硬質(zhì)玻璃管左側(cè)一端放置脫脂棉柱，然后分別用稀高錳酸鉀溶液、紫色石蕊溶液、品紅溶液將三個脫脂棉團潤濕，用鑷子將潤濕后的三個脫脂棉團放在硬質(zhì)玻璃右側(cè)一端。

（4） 將直角導管一端插入硬質(zhì)玻璃管右端，另一端通過橡膠管與倒放的漏斗連接。漏斗口伸入NaOH濃溶液中。

（5） 點燃酒精燈，加熱濃硫酸至產(chǎn)生大量酸霧，將銅絲伸入濃硫酸中，不久后觀察到浸有品紅溶液的脫脂棉褪色，浸有石蕊溶液的脫脂棉由紫色變?yōu)榧t色，浸有酸性高錳酸鉀溶液的脫脂棉褪色。將銅絲抽離濃硫酸，停止加熱。

（6） 待試管中反應液冷卻后，打開右側(cè)下端玻璃塞，使反應后的混合液流入燒杯中的蒸餾水中，觀察到燒杯中溶液變藍。打開止水夾，用雙聯(lián)打氣球向裝置鼓氣，使裝置內(nèi)殘留的SO2被右側(cè)燒杯中的NaOH濃溶液吸收。

（7） 加熱浸有品紅溶液的脫脂棉，發(fā)現(xiàn)脫脂棉再次變?yōu)榧t色。

2.4 改進后實驗裝置的優(yōu)點

（1） 在銅絲上端涂凡士林，并用T形塞代替橡膠塞堵塞試管，能很好控制反應的停止與發(fā)生。

（2） 定制一個下端開口的具支試管，反應完后打開玻璃塞使混合液流入燒杯蒸餾水中，可觀察到明顯的藍色。

（3） 選用浸有品紅溶液、石蕊溶液、酸性高錳酸鉀溶液的脫脂棉團，可大大減少藥品用量。

（4） 在浸有品紅溶液的脫脂棉團前增加一段脫脂棉柱可避免濃硫酸酸霧與石蕊溶液發(fā)生顯色反應。

（5） 將銅與濃硫酸的反應與二氧化硫的性質(zhì)檢驗在一套裝置中進行。

（6） 使用雙聯(lián)打氣球向裝置鼓風，可有效將裝置中殘留的SO2排盡。

（7） 使用倒放漏斗代替導管伸入濃NaOH溶液中，可有效防倒吸。

參考文獻：

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