銅與濃硫酸反應的綠色微型化實驗

摘?要：針對蘇教版和人教版教材中“銅與濃硫酸的反應實驗”中存在的不可控和污染等問題以及近幾年部分文獻中改進方案存在的不足之處，本文在綠色化學的基礎上從簡約化、集約化、微型化三個角度出發對實驗進行了新的改進。通過磁鐵吸引密封玻璃管實現對反應的控制;利用氣唧輔助消除反應尾氣污染;利用密封袋和井穴板同時進行二氧化硫的性質實驗與尾氣處理。

關鍵詞：濃硫酸;實驗改進;微型化;綠色化學

一、 實驗背景

銅與濃硫酸的反應是高中重要實驗之一。新課程兩個版本的化學教科書對該反應的實驗設計不同，但是在實際操作過程中都存在若干不足之處，以下予以分析：

（一） 蘇教版教材銅與濃硫酸反應的裝置

不足之處：

①不能控制反應進程。當觀察到品紅溶液褪色時，不能馬上使反應停止，二氧化硫仍繼續產生。

②撤掉酒精燈則導致氣壓減小容易引起倒吸。若先將導管拔出則會導致二氧化硫泄露。

③裝置中空余部分仍會殘留二氧化硫且沒法除去。

（二） 人教版教材銅與濃硫酸反應裝置

不足之處：

①銅絲與橡膠塞摩擦較大，實際操作過程不方便。

②試管和導管中殘留二氧化硫，拆卸過程中導致二氧化硫泄露。

③缺少尾氣吸收裝置，對環境及師生健康不利。

④由于二氧化硫易溶于水，容易引起倒吸。

總的來說，兩個版本的教材實驗設計在控制進程、尾氣吸收、防止倒吸方面存在不足，有明顯改進的空間。

（三） 部分文獻中介紹的實驗方案

1. 以2003年和2016年發表的文章為例

這兩個設計都是采取抽拉銅絲的方式控制反應進程，實際操作抽拉過程不是很方便。都有尾氣處理裝置，但是裝置內仍殘留二氧化硫且沒法除盡。這兩個設計較好的一點是可以一步進行多個二氧化硫的性質實驗，有利于鞏固二氧化硫的相關知識。圖4所示裝置則需要多個鐵架臺，操作煩瑣且影響美觀。

2. 以2015年和2017年發表的文章為例

這兩個設計都采用了鼓氣裝置排除裝置內殘留二氧化硫氣體，用氫氧化鈉溶液進行尾氣吸收。只用品紅溶液進行二氧化硫的性質檢驗，比較單一。圖5采用的是抽拉銅絲的方式控制反應進程，圖6則改用小磁鐵吸引繞著銅絲的封鐵玻璃管，封鐵玻璃管可多次使用，操作上比抽拉銅絲要方便很多。

二、 實驗創新

針對目前實驗設計存在的一些問題，筆者在改進與創新時主要考慮以下幾點：

（1）實驗裝置微型化。

（2）實驗裝置易于組裝，操作方便，符合簡約化原則。

（3）有害氣體全吸收，符合綠色化學原則。

（4）多個性質實驗一起進行，符合集約化原則。

如圖7，通過磁鐵吸引繞著銅絲的封鐵玻璃管控制反應進程。銅與濃硫酸在加熱條件下產生的二氧化硫氣體可通過品紅溶液、紫色石蕊溶液、硫化鈉溶液、高錳酸鉀溶液進行檢驗。通過氣唧鼓氣將剩余氣體鼓入密封袋中，拔出針頭，原來用于固定的膠布此刻起密封作用，倒扣井穴板，振蕩密封袋，除去有毒的二氧化硫氣體與反應產生的硫單質。

三、 實驗方法

（一） 實驗原理

（1）銅與濃硫酸在加熱條件下發生反應生成硫酸銅、二氧化硫和水：

Cu+2H2SO4（濃）△CuSO4+SO2↑+2H2O

（2）二氧化硫能使紅色的品紅溶液褪色;

（3）二氧化硫與水反應生成的亞硫酸具有酸性，能使紫色石蕊溶液變紅;

（4）二氧化硫具有弱氧化性，能將硫化鈉氧化生成黃色硫單質;

（5）二氧化硫具有還原性，能與酸性高錳酸鉀溶液反應，使其褪色;

（6）二氧化硫與氫氧化鈉反應生成亞硫酸鈉和水。

（二） 實驗用品

98%濃硫酸、銅絲、品紅溶液、紫色石蕊溶液、硫化鈉溶液、高錳酸鉀溶液、氫氧化鈉溶液;

試管一支，配套兩孔橡膠塞，密封鐵玻璃管一個，磁鐵一塊，氣唧一個，塑料導管兩根，塑料導管配套針頭、密封袋一個，六孔井穴板一個，膠布一個，小剪刀一把。

（三） 材料加工（封鐵玻璃管的制作）

取一根細玻璃管（或把膠頭滴管去掉膠頭，作為玻璃管用），取直徑3～5mm，長約20mm的鐵絲，放在玻璃管內。用兩把鑷子分別夾住玻璃管的兩端，在酒精燈或酒精噴燈上先預熱，再左右移動加熱鐵絲部位的玻璃管。當玻璃管變軟后兩端拉伸，使兩端封好，再燒圓。用鑷子側面較平整部位趁熱壓一下燒圓的端頭，使得端頭變粗，形成疙瘩，因此纏繞上的銅絲，不容易滑落。到此，封鐵玻璃管就制成了，其可被磁鐵吸引，且容易加工。

（四） 實驗操作步驟

（1）如圖7連接好裝置，并檢查裝置氣密性。

（2）向試管中加入5mL98%濃硫酸，用鐵夾夾好。

（3）取一段約20cm的銅絲，將其纏繞在封鐵玻璃管上。在試管外用磁鐵吸引，將封鐵玻璃管固定在試管中上部。

（4）連接好裝置后，對試管進行預熱，再集中加熱濃硫酸至沸騰。

（5）拿掉小磁鐵，讓封鐵玻璃管滑入試管底部與濃硫酸進行反應。

（6）觀察到井穴板中品紅溶液褪色，紫色石蕊溶液變紅，硫化鈉溶液中產生黃色沉淀，高錳酸鉀溶液褪色，即可移去酒精燈，用磁鐵吸引封鐵玻璃管向管口方向移動直至脫離液面，使反應停止。

（7）用氣唧鼓氣，將裝置內殘留氣體鼓入密封袋中，拔出針頭，用膠布將針孔密封。倒扣井穴板，振蕩密封袋，除去二氧化硫和硫單質。

（8）拆下裝置，洗滌，并處理好廢液。

四、 實驗優點

（1）實驗器材簡單易得，裝置簡約。

（2）通過磁鐵吸引封鐵玻璃管控制反應進程，比抽拉銅絲要簡單方便很多。

（3）鼓氣裝置能使裝置內殘留的氣體全部排出，符合綠色化學理念。

（4）此設計不存在倒吸問題。

（5）此設計能將二氧化硫的多個性質實驗同時進行，且用量少，節約藥品和時間，操作上很容易進行，有利于鞏固二氧化硫的性質。

（6）此設計給學生傳輸一定的集約化思想、綠色化學思想。密封袋和鐵封玻璃管的使用也開拓了學生對于化學實驗的認識。

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作者簡介：

李艷艷，福建省福州市，福建師范大學化學與材料學院。