銅與濃硫酸反應實驗的探究

羅金虹++劉茜

【摘要】對高中化學人教版教材《化學1（必修）》中“銅與濃硫酸反應”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。結果表明，棕黃色的熱濃硫酸與藍色水合銅離子混合導致上層溶液呈綠色。

【關鍵詞】銅；濃硫酸；實驗改進；綠色溶液

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）02-0276-02

Cu與濃H2SO4反應實驗是高中化學教材中經典的實驗之一，旨在讓學生理解濃硫酸的強氧化性及SO2的檢驗方法[1]。按照高中化學人教版教材《化學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SO2的其它性質，如酸性和還原性；沒有尾氣吸收裝置；可能發生倒吸現象，給實驗帶來安全隱患[2]。針對以上不足，我們從綠色環保、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，其作用是除去反應中剩余的SO2氣體。

實驗開始前，銅絲先遠離濃硫酸液面，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生，伴隨產生少量黑色沉淀。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。用酒精燈預熱的方式對反應后的品紅試紙進行加熱，發現試紙由白色變為紅色。

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 的檢驗與性質清晰地展現，雙聯打氣球與尾部蘸有NaOH溶液的棉花聯用對實驗進行了尾氣處理，達到了環保目的[3]。

二、探究實驗過程中溶液上層呈綠色原因

1.提出猜想

在銅與濃硫酸反應的實驗過程中，觀察到上層溶液顏色呈綠色。對這一現象，文獻中有多種解釋。如翟菊紅等認為：“反應過程中Cu片上的Cu2S、CuS（黑色）掉落，與淡黃色固體S、少量藍色CuSO4水合物混合，將調合成黑綠色濁液”[4]。夏立先等認為：“銅表面沾附氯元素（聚氯乙烯）、反應儀器和藥品沾附無機含氯化合物都可能導致溶液呈綠色”[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，我們發現上層溶液仍然呈綠色。是什么原因導致了這一現象的發生呢？反應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，產生一定數量的自由水分子（H2SO4（aq）+nH2O（l） H2SO4·nH2O（aq）；△H < 0）。這些自由水分子與Cu2+絡合形成藍色絡合物：Cu2+（無色）+4H2O [Cu（H2O）4]2+（藍色）。我們猜想溶液呈綠色可能是藍色與其它顏色的混合色。我們將98%濃硫酸加熱后，發現其顏色為棕黃色。而藍色與黃色混合色恰好是綠色。因此我們認為，上層溶液的顏色與濃硫酸及其中含有的Cu2+有關。

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，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的上層清液，到達終點后溶液變為藍色。

（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，溶液由藍色變為綠色。再用氫氧化鈉溶液滴定至恰好有藍色沉淀出現而不消失，此時，溶液又呈藍色。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，黃色溶液與藍色溶液混合會得到綠色溶液，因此棕黃色濃硫酸溶液與藍色硫酸銅混合會得到綠色混合溶液。

三、結語

本次探究實驗對銅和濃硫酸反應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，銅和濃硫酸反應后的上層溶液呈綠色是因為棕黃色熱濃硫酸與藍色水合銅離子混合所導致。

參考文獻

[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，2007.

[2]王春.基于綠色化學理念的高中新教材實驗改進[J].教學儀器與實驗，2010，（7）：22～23.

[3]周剛.“銅與濃硫酸反應”演示實驗的改進與組合[J].中學化學，2015，（5）：31.

[4]翟菊紅.銅與濃硫酸反應共熱現象及原因分析[J].化學教育，2009，（9）：70～71.

[5]夏立先，對銅與濃硫酸反應溶液呈綠色的實驗探究[J].化學教學，2015，（7）：64～65.

作者簡介：羅金虹，（1994，11-）女，西華師范大學化學化工學院，四川蒼溪人，在讀研究生，主要從事中學化學教學研究，課程教育研究，劉茜，（1978，09-）男，西華師范大學化學化工學院，四川樂至人，大學本科，講師，主要從事中學化學教學研究。課程教育研究。endprint