銅與濃硫酸反應(yīng)的綠色微型化實(shí)驗(yàn)

摘?要：針對(duì)蘇教版和人教版教材中“銅與濃硫酸的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”中存在的不可控和污染等問題以及近幾年部分文獻(xiàn)中改進(jìn)方案存在的不足之處，本文在綠色化學(xué)的基礎(chǔ)上從簡(jiǎn)約化、集約化、微型化三個(gè)角度出發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了新的改進(jìn)。通過磁鐵吸引密封玻璃管實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)的控制;利用氣唧輔助消除反應(yīng)尾氣污染;利用密封袋和井穴板同時(shí)進(jìn)行二氧化硫的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)與尾氣處理。

關(guān)鍵詞：濃硫酸;實(shí)驗(yàn)改進(jìn);微型化;綠色化學(xué)

一、 實(shí)驗(yàn)背景

銅與濃硫酸的反應(yīng)是高中重要實(shí)驗(yàn)之一。新課程兩個(gè)版本的化學(xué)教科書對(duì)該反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同，但是在實(shí)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(yīng)的裝置

不足之處：

①不能控制反應(yīng)進(jìn)程。當(dāng)觀察到品紅溶液褪色時(shí)，不能馬上使反應(yīng)停止，二氧化硫仍繼續(xù)產(chǎn)生。

②撤掉酒精燈則導(dǎo)致氣壓減小容易引起倒吸。若先將導(dǎo)管拔出則會(huì)導(dǎo)致二氧化硫泄露。

③裝置中空余部分仍會(huì)殘留二氧化硫且沒法除去。

（二） 人教版教材銅與濃硫酸反應(yīng)裝置

不足之處：

①銅絲與橡膠塞摩擦較大，實(shí)際操作過程不方便。

②試管和導(dǎo)管中殘留二氧化硫，拆卸過程中導(dǎo)致二氧化硫泄露。

③缺少尾氣吸收裝置，對(duì)環(huán)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(gè)版本的教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在控制進(jìn)程、尾氣吸收、防止倒吸方面存在不足，有明顯改進(jìn)的空間。

（三） 部分文獻(xiàn)中介紹的實(shí)驗(yàn)方案

1. 以2003年和2016年發(fā)表的文章為例

這兩個(gè)設(shè)計(jì)都是采取抽拉銅絲的方式控制反應(yīng)進(jìn)程，實(shí)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(nèi)仍殘留二氧化硫且沒法除盡。這兩個(gè)設(shè)計(jì)較好的一點(diǎn)是可以一步進(jìn)行多個(gè)二氧化硫的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，有利于鞏固二氧化硫的相關(guān)知識(shí)。圖4所示裝置則需要多個(gè)鐵架臺(tái)，操作煩瑣且影響美觀。

2. 以2015年和2017年發(fā)表的文章為例

這兩個(gè)設(shè)計(jì)都采用了鼓氣裝置排除裝置內(nèi)殘留二氧化硫氣體，用氫氧化鈉溶液進(jìn)行尾氣吸收。只用品紅溶液進(jìn)行二氧化硫的性質(zhì)檢驗(yàn)，比較單一。圖5采用的是抽拉銅絲的方式控制反應(yīng)進(jìn)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(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在的一些問題，筆者在改進(jìn)與創(chuàng)新時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)裝置微型化。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置易于組裝，操作方便，符合簡(jiǎn)約化原則。

（3）有害氣體全吸收，符合綠色化學(xué)原則。

（4）多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一起進(jìn)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(yīng)進(jìn)程。銅與濃硫酸在加熱條件下產(chǎn)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(jìn)行檢驗(yàn)。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(yīng)產(chǎn)生的硫單質(zhì)。

三、 實(shí)驗(yàn)方法

（一） 實(shí)驗(yàn)原理

（1）銅與濃硫酸在加熱條件下發(fā)生反應(yīng)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(yīng)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(zhì);

（5）二氧化硫具有還原性，能與酸性高錳酸鉀溶液反應(yīng)，使其褪色;

（6）二氧化硫與氫氧化鈉反應(yīng)生成亞硫酸鈉和水。

（二） 實(shí)驗(yàn)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(gè)，磁鐵一塊，氣唧一個(gè)，塑料導(dǎo)管兩根，塑料導(dǎo)管配套針頭、密封袋一個(gè)，六孔井穴板一個(gè)，膠布一個(gè)，小剪刀一把。

（三） 材料加工（封鐵玻璃管的制作）

取一根細(xì)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(zhǎng)約20mm的鐵絲，放在玻璃管內(nèi)。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(yù)熱，再左右移動(dòng)加熱鐵絲部位的玻璃管。當(dāng)玻璃管變軟后兩端拉伸，使兩端封好，再燒圓。用鑷子側(cè)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(shí)驗(yàn)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(duì)試管進(jìn)行預(yù)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(jìn)行反應(yīng)。

（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(chǎn)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(dòng)直至脫離液面，使反應(yīng)停止。

（7）用氣唧鼓氣，將裝置內(nèi)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(zhì)。

（8）拆下裝置，洗滌，并處理好廢液。

四、 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單易得，裝置簡(jiǎn)約。

（2）通過磁鐵吸引封鐵玻璃管控制反應(yīng)進(jìn)程，比抽拉銅絲要簡(jiǎn)單方便很多。

（3）鼓氣裝置能使裝置內(nèi)殘留的氣體全部排出，符合綠色化學(xué)理念。

（4）此設(shè)計(jì)不存在倒吸問題。

（5）此設(shè)計(jì)能將二氧化硫的多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，且用量少，節(jié)約藥品和時(shí)間，操作上很容易進(jìn)行，有利于鞏固二氧化硫的性質(zhì)。

（6）此設(shè)計(jì)給學(xué)生傳輸一定的集約化思想、綠色化學(xué)思想。密封袋和鐵封玻璃管的使用也開拓了學(xué)生對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：92.

[2]宋心琦.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2010：101.

[3]王后雄.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[M].北京：北京大學(xué)出版社，2013：51-75.

[4]吳桂英，夏年利.銅與濃硫酸反應(yīng)系列實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2003（11）：15-16.

[5]陳海濤.銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案的新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2015（10）：65-68.

[6]曾廣勇.銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2016，33（3）：27-28.

[7]楊麗娟，齊俊林.銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)二則[J].化學(xué)教學(xué)，2017（12）：58-60.

[8]吳蜜璇，鄭澤彪，衷明華.二氧化硫制備和性質(zhì)的微型一體化實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[J].江西化工，2015（3）：252-253.

[9]王秀榮.二氧化硫的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與探究[J].化學(xué)教學(xué)，2017（10）：49-51.

作者簡(jiǎn)介：

李艷艷，福建省福州市，福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院。