銅與濃硫酸反應的實驗探索

陳文興，王敏，羅宿星

（1.遵義師范學院化學系，貴州遵義563002；2.仁懷酒都高級中學，貴州仁懷564500）

銅與濃硫酸的反應是高中化學教材中重要的演示實驗之一，實驗的原理是：Cu＋2HSO4（濃）

2CuSO4＋SO2↑＋2H2O，實驗方法是：在一支試管中加入一小塊銅片，再加入3mL濃硫酸，然后用裝有玻璃導管的單孔橡皮塞好，加熱。將放出的氣體通入品紅溶液中，觀察反應現象，見圖1。反應完畢，冷卻后，將試管中的液體慢慢倒入另一支盛有少量水的試管中，觀察溶液的顏色[1]。

該實驗的教學目的是讓學生通過觀察到的實驗現象（生成物溶于水后溶液呈藍色，放出的氣體能使品紅溶液褪色），了解并掌握濃硫酸的氧化性質。然而，教材提供的實驗方法和步驟存在四方面的欠缺：第一、裝置屬半敞開式，蘸有NaOH溶液的棉花團不能保證完全吸收多余的二氧化硫氣體，就有可能造成環境污染，達不到當今綠色化學的標準；第二、要將反應后的液體倒入另一支盛有水的試管中,必須將反應物冷卻，使得實驗時間較長操作又煩瑣，導致教學環節松散；第三、生成物中仍有濃硫酸，溶于水時放出大量的熱，給實驗帶進安全隱患；第四、生成物中夾雜有大量的黑色物質，這些黑色物質不溶于水影響對溶液顏色的觀察，甚至根本觀察不到藍色的溶液，使得實驗現象既不鮮明，教學效果又不明顯。針對這些問題，作者對課本實驗作了探索性的改進。

1 儀器與試劑

實驗儀器：試管（20×180mm）、具支試管(20×180mm)、酒精燈、橡皮塞、乳膠頭、導氣管。

實驗藥品：2mol/LNaOH、0.05%品紅、98%濃硫酸、棉花、銅片、銅絲。

2 試驗方法

2.1 改進方法一

將蘸有NaOH溶液的棉花團改為裝NaOH溶液的試管，確保完全吸收多于的二氧化硫氣體。按圖2所示安裝實驗裝置，檢查裝置的氣密性；在裝有銅片的試管中加入3mL98%的濃硫酸，加熱。待品紅溶液褪至無色時，停止加熱。

2.1.1 實驗現象

反應過程中出現大量的黑色固體物質沉淀于試管底部，試管中產生大量白色煙霧，品紅溶液褪至無色。

2.1.2 結果討論

改進后的實驗只解決了污染問題。但由于反應后期產生的SO2氣體量減少，裝置內的氣壓降低，易導致品紅溶液倒吸。品紅溶液一旦倒吸，就會產生干擾，導致實驗失敗。

2.2 改進方法二

增加緩沖裝置，改品紅溶液為蘸有品紅溶液的長紙條放入試管內。圖3所示。

2.2.1 實驗現象

溶液開始變藍的同時出現黑色的物質，并產生大量的白色煙霧，待品紅試紙完全褪成無色時，試管中只有黑色固體和無色液體。

2.2.2 實驗結果分析

由于98%的濃硫酸沸點是338℃[1]，而硫酸銅晶體在218℃時就全部失水[2]。隨著反應時間的增加，反應體系中的水分被蒸發，濃硫酸部分生成發煙硫酸，故產生大量的白色煙霧；產物硫酸銅處在非水體系中不顯藍色，因而觀察不到藍色的硫酸銅溶液生成。黑色的固體物質可能是銅與濃硫酸共熱時反應生成的硫化亞銅和硫化銅的混合物。因為銅與濃硫酸反應時會有多種副反應發生[3]，低于100℃時5Cu+4H2SO4（濃）Cu2S+3CuSO4+4H2O隨著溫度的升高，濃硫酸氧化性增強，繼續發生如下的副反應：

所以，在實驗過程中由于黑色固體物質的干擾，既觀察不到CuSO4的白顏色，也不易觀察到Cu(H2O)SO4呈現的藍色。

由此可知，影響反應的因素有：反應溫度、反應時間、硫酸溶液的濃度。而導致黑色物質產生的主要原因是：反應時間過長、硫酸的濃度過大及未控制反應溫度。當98%的濃H2SO4體積為3mL時,銅片的質量為0.1～0.6g(或相當于此用量比),實驗效果較明顯,實驗成功率較高，故再次將實驗改進。

2.3 改進方法三

2.3.1 實驗方法改試管為具支試管，將銅片改為可上下抽動的銅絲。在橡皮塞上插入帶有乳膠頭的短玻璃管，將銅絲經乳膠頭穿過玻璃管插入具支試管內，把銅絲末端繞成團，上端彎成小鉤狀（便于抽取懸入硫酸溶液中央的銅絲團，同時保證氣密性），如圖4所示。由于60%的濃硫酸就具有一定的氧化性[4]。向具支試管中加入3mL80%的硫酸溶液，預熱硫酸溶液接近沸騰時，撤離酒精燈，將銅絲伸入硫酸溶液中，反應立即發生。當品紅試紙褪至無色時，把銅絲抽離硫酸溶液。

2.3.2 實驗現象與結果反應開始試管中溶液逐漸變藍，當品紅試紙褪至無色時，溶液的藍色鮮明，且沒有黑色物質產生。

2.4 最佳反應條件

配制50%—95%不同濃度的硫酸溶液。分別用相同體積不同濃度的硫酸溶液與質量相同的可移動銅絲按圖4的裝置和2.3.1的方法做對比實驗，得到表1所示的一組實驗數據：

表1 銅絲與50%—95%的硫酸溶液反應

實驗數據表明：硫酸溶液的濃度在70%—85%時，反應所需要時間較短，幾乎看不到黑色沉淀，試管中溶液呈現的藍色鮮明。再用72%—84%不同濃度的硫酸溶液，按2.3.1的方法進行對比試驗，得到表2所示的一組實驗數據：

表2 銅絲與72%—84%的硫酸溶液反應

3 結果與討論

根據表1和表2所示的實驗數據得出：用80%的硫酸溶液做此實驗。品紅試紙褪至無色時只需3.0分鐘，試管中溶液呈現明顯的藍色，且沒有黑色物質生成，是濃硫酸氧化銅的最佳反條件。

實驗中應注意：（1）控制反應溫度，溫度不宜太高，用小火加熱；（2）硫酸溶液加熱至接近沸騰時再將銅絲團伸進硫酸溶液中，并且銅絲團應懸在硫酸溶液中央；（3）品紅試紙褪成無色后，應立即把銅絲團抽離硫酸溶液終止反應。

改進后的實驗具有以下優點：（1）整個實驗裝置簡單，氣密性良好，即能確保尾氣被完全吸收，又避免了溶液倒吸；（2）可移動的銅絲既能靈活地控制反應進程，又可以重復使用，節約了藥品；（3）簡化了實驗步驟，縮短了演示實驗的時間?？傊?，經過探索改進后的實驗現象既鮮明，教學效果又明顯，不但達到綠色化學與環保的目的，同時還能開拓學生的思維,提高學生分析問題的能力。

[1] 人民教育出版社化學室.全日制普通高級中學教科書（必修）化學[M].北京：人民教育出版社，2003.

[2] 北京師范大學無機化學教研室，東北師范大學無機化學教研室，華中師范大學無機化學教研室，等.無機化學實驗（第三版）[M].北京：高等教育出版社,2001.

[3] 楊麗君，沙麗麗.銅與濃硫酸反應實驗的探究[J].玉溪師范學院學報，2005,22(12)：43-45.

[4] 王貴和.中學化學實驗研究[M].貴陽：貴州教育出版社,2000.