銅和濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的探究與分析

〔關(guān)鍵詞〕 化學(xué)教學(xué);銅;濃硫酸;實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;分析

〔中圖分類號(hào)〕 G633.8〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 C

〔文章編號(hào)〕 1004—0463(2010)04(A)—0058—01

一、銅與濃硫酸的化學(xué)反應(yīng)

1. 實(shí)驗(yàn)裝置圖。

2. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。新教材關(guān)于銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是這樣敘述的:濃硫酸與銅在加熱時(shí)能發(fā)生反應(yīng)，放出能使紫色石蕊試液變紅或使品紅溶液褪色的氣體，反應(yīng)后生成物的水溶液顯藍(lán)色，說(shuō)明銅與濃硫酸反應(yīng)時(shí)被氧化為Cu2+。

然而該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象并非這么簡(jiǎn)單，有以下兩種情況:

一種情況是濃硫酸過(guò)量。其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有:銅與冷的濃硫酸不發(fā)生反應(yīng)，加熱時(shí)隨濃硫酸溫度升高銅絲(或銅片)表面變黑，產(chǎn)生氣泡，細(xì)小的黑色顆粒狀物質(zhì)從銅絲(或銅片)表面進(jìn)入濃硫酸中，形成黑色的懸濁液。隨著加熱溫度繼續(xù)升高(至沸騰)，黑色顆粒狀物質(zhì)與濃硫酸反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成細(xì)小灰白色的顆粒狀物質(zhì)隨濃硫酸一起翻滾。在此過(guò)程中試管里還產(chǎn)生了大量的白色煙霧，起初部分煙霧在試管上部?jī)?nèi)壁冷凝析出淡黃色固體物質(zhì)。當(dāng)加熱到濃硫酸沸騰時(shí)，淡黃色固體物質(zhì)又慢慢消失了。此間導(dǎo)氣管導(dǎo)出的氣體能使紫色石蕊試液變紅，或使品紅溶液和KMnO4溶液褪色。當(dāng)銅完全反應(yīng)后，停止加熱靜置時(shí)，試管內(nèi)的煙霧也隨之慢慢消失了，試管中的液體呈淺藍(lán)色，管底沉積的固體物質(zhì)呈灰白色。繼續(xù)冷卻試管時(shí)，溶液顏色慢慢變淺，至室溫時(shí)幾乎無(wú)色。將此無(wú)色溶液注入盛有少量水的試管中，所得溶液變?yōu)闇\藍(lán)色。再向殘留有灰白色固體的試管中滴加少量蒸餾水時(shí)，所得溶液呈藍(lán)色，試管底部未溶固體的上層部分呈藍(lán)色，下層仍為灰白色(久置時(shí)可變?yōu)樗{(lán)色)。

另一種情況是銅過(guò)量。為了便于觀察有關(guān)反應(yīng)現(xiàn)象和驗(yàn)證產(chǎn)物，將細(xì)銅絲一端卷成螺旋狀放入濃硫酸中，另一端露置在液面上方(仍用上述裝置)。長(zhǎng)玻璃導(dǎo)管是讓揮發(fā)的濃硫酸和水冷凝回流。開(kāi)始加熱反應(yīng)時(shí)的現(xiàn)象與前者相同，隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，試管和長(zhǎng)導(dǎo)氣管內(nèi)壁有少量淡黃色固體物質(zhì)凝聚，露置于試管液面上方的光亮銅絲逐漸變黑。一會(huì)兒后試管里的硫酸全部反應(yīng)完，試管底的物質(zhì)變?yōu)榛液谏墓腆w，取出試管液面上方變黑的銅絲，將其分別置于盛有一定量濃硫酸和稀硫酸的兩支試管中，震蕩，銅絲表面的黑色物質(zhì)不溶。若將光亮的銅絲在空氣中加熱變黑后，再分別置于盛濃硫酸和稀硫酸的兩支試管中時(shí)，振蕩，發(fā)現(xiàn)置于稀硫酸中的銅表面的黑色物質(zhì)全部溶解，光亮的銅露出;濃硫酸中的銅表面的黑色物質(zhì)只有部分溶解。

二、問(wèn)題的提出

1. 為什么濃硫酸過(guò)量時(shí)，反應(yīng)完畢后所得溶液顏色放置變淺?

2. 為什么銅過(guò)量時(shí)，試管中露置銅絲變黑?

三、理論分析

1. 濃硫酸過(guò)量時(shí)，實(shí)驗(yàn)反應(yīng)完畢后所得溶液顏色放置變淺的原因。這與Cu2+和水分子的絡(luò)合作用及硫酸的吸水性有關(guān)。當(dāng)溶液溫度較高時(shí)，水合硫酸分子離解，產(chǎn)生了一定數(shù)量的自由水分子，這些自由水分子便與Cu2+絡(luò)合為四水絡(luò)銅離子。

Cu2++4H20?葑〔Cu(H20)4〕2+

降溫時(shí)硫酸分子吸附水分子的能力增強(qiáng)，使上述絡(luò)合平衡向左移動(dòng)，溶液變?yōu)闊o(wú)色。

2. 銅過(guò)量時(shí)，試管中露置銅絲變黑，既不是被試管中空氣里的氧氣氧化為氧化銅，也不是被揮發(fā)的硫酸蒸氣氧化為氧化銅。因?qū)嶒?yàn)證明氧化銅能溶于濃硫酸或稀硫酸中(酸霧冷凝的硫酸溶液比濃硫酸的濃度小，氧化銅能溶解其中)。因此，該黑色物質(zhì)是產(chǎn)生的硫蒸氣與銅反應(yīng)生成的硫化亞銅。其反應(yīng)方程式為:

S(蒸氣)+2Cu■Cu2S

實(shí)驗(yàn)證明:該黑色物質(zhì)既不溶于冷的濃硫酸又不溶于稀硫酸，這正是硫化亞銅的性質(zhì)(硫化亞銅只能被處在高溫狀態(tài)的濃硫酸氧化)。