銅和濃硫酸在無氧條件下的反應(yīng)

在中學(xué)化學(xué)實驗中，銅和濃硫酸的反應(yīng)現(xiàn)象比較特殊：紫紅色的銅和濃硫酸在不加熱時不反應(yīng)，加熱到一定溫度時開始反應(yīng)，混合物變黑色，倒入盛水的燒杯中溶液變藍(lán)色。從反應(yīng)原理來看，銅和濃硫酸反應(yīng)生成硫酸銅、二氧化硫和水，硫酸銅在水溶液中呈現(xiàn)藍(lán)色，但是濃硫酸中幾乎沒水，所以不顯藍(lán)色。銅與足量濃硫酸充分反應(yīng)后的固體物質(zhì)應(yīng)為硫酸銅、硫化銅、硫化亞銅，還有氧化銅。下面就通過實驗分析比較銅和濃硫酸在有氧和無氧條件下的反應(yīng)。

一、傳統(tǒng)的實驗裝置圖：銅絲與濃硫酸反應(yīng)并驗證其產(chǎn)物性質(zhì)的實驗裝置（未隔絕空氣）。

試管①中加入5ml濃硫酸按上圖所示裝置進(jìn)行實驗。

（1）①中銅與濃硫酸發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，Cu+2H2SO4（濃） CuSO4+SO2↑+H2O

上述實驗過程中，發(fā)現(xiàn)①中試管內(nèi)有少量灰黑色固體出現(xiàn)。實驗結(jié)束后冷卻至室溫，將試管①中的物質(zhì)緩緩倒入水中，溶液呈藍(lán)色，底部有黑色固體。根據(jù)現(xiàn)象分析灰黑色固體是白色的硫酸銅、黑色的硫化銅和黑色的硫化亞銅的混合物。取少量藍(lán)色溶液于試管中，滴加NaOH溶液至過量，觀察到開始沒有明顯現(xiàn)象，后有藍(lán)色沉淀生成。銅只跟濃硫酸反應(yīng)，不與稀硫酸反應(yīng)，因此硫酸剩余，當(dāng)加入NaOH溶液時，先發(fā)生中和反應(yīng)H++OH-=H2O，如果繼續(xù)滴加NaOH溶液，發(fā)生：Cu2++2OH-=Cu（OH）2↓，因此現(xiàn)象是開始無明顯現(xiàn)象，后有藍(lán)色沉淀生成。

（2）②中飽和NaHSO3溶液的作用是：除去①中揮發(fā)出的少量硫酸（硫酸沸點338℃）。加熱一段時間后，③中溶液依然澄清，④中溶液褪色，說明有二氧化硫生成。想要立即終止銅與硫酸的反應(yīng)，上移銅絲，使其脫離硫酸。

（3）反應(yīng)停止后，待裝置冷卻，把③取下后將其中溶液分成兩份做如下實驗：第一份：加入氫氧化鈉溶液有白色沉淀生成：SO2易溶于水，BaCl2溶液中溶解了一部分SO2，SO2+ 2OH-=SO32-+H2O ，Ba2++SO32-=BaSO3↓（或SO2+2OH-+Ba2+=H2O + BaSO3↓）；第二份：加入氯水后有白色沉淀生成：SO2既具有氧化性也具有還原性，遇到較強(qiáng)的氧化劑表現(xiàn)為還原性，Cl2具有強(qiáng)氧化性，發(fā)生：SO2+Cl2+H2O=4H++2Cl-+SO42-，Ba2++SO42-=BaSO4↓（SO2+Cl2+2H2O+Ba2+=4H++2Cl-+BaSO4↓）。

（4）④中用棉花團(tuán)吸收尾氣，防止二氧化硫污染空氣。因為SO2有毒，如果逸出對環(huán)境造成污染，必須除去。因此用浸氫氧化鈉溶液有棉花團(tuán)的除去SO2尾氣，SO2+2OH-=SO32-+H2O。

二、銅和濃硫酸在無氧條件下的反應(yīng)

在銅和濃硫酸的反應(yīng)過程中，觀察到灰黑色的固體物質(zhì)有硫酸銅、硫化銅及硫化亞銅等，這不難理解，該固體物質(zhì)中有沒有黑色的氧化銅呢？為解決這一問題，設(shè)計了如下實驗：用分液漏斗和錐形瓶組成二氧化碳發(fā)生裝置，用盛有飽和碳酸氫鈉溶液洗氣瓶除去揮發(fā)的氯化氫，向裝有銅片和濃硫酸的試管中通入二氧化碳，尾氣用飽和氫氧化鈉溶液吸收。如下圖所示：

（1）打開分液漏斗開關(guān)，鹽酸和錐形瓶內(nèi)的碳酸鈣反應(yīng)，生成二氧化碳，經(jīng)過洗氣瓶進(jìn)入大試管排出空氣，一段時間后，在出氣導(dǎo)管口檢驗空氣是否排凈。排凈后，導(dǎo)管中充滿了二氧化碳，點燃酒精燈加熱，這樣就避免了銅受熱和空氣反應(yīng)。

（2）加熱后，銅片保持亮紅色，過了較長一段時間后，銅片和濃硫酸開始反應(yīng)，混合物變墨綠色，有黑灰色固體生成。由于隔絕了空氣，生成氧化銅的可能性基本排除，灰黑色固體應(yīng)是硫酸銅、硫化銅和硫化亞銅。

（3）將反應(yīng)后的混合物沿著燒杯壁注入水中，溶液呈現(xiàn)藍(lán)色，底部有黑色固體。硫酸銅溶解，黑色固體應(yīng)為硫化銅和硫化亞銅。

通過實驗對比，可以看出在無氧條件下仍有黑色固體物質(zhì)，說明產(chǎn)物中的黑色物質(zhì)不只是氧化銅。反復(fù)實驗，分析現(xiàn)象。投石問路，百家爭鳴，在爭論中提高，以期共同進(jìn)步。