硫和銅反應實驗再探究

馬文 孫影 賈衛國 熊言林

摘要： 硫的性質是高中化學元素化合物知識中重要的學習內容之一，針對學生中關于硫和銅反應的某些疑問，改進實驗裝置，并對反應產物進行X射線多晶衍射（XRD）表征，探討硫和銅在不同溫度和用量比條件下反應的產物，回應并澄清了學生存在的困惑，對網絡資料和教科書中的一些表述進行了實驗層面的論證與說明。

關鍵詞： 硫和銅反應; X射線多晶衍射; 實驗改進; 實驗探究

文章編號： 10056629（2020）10007403

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

硫是一種常見而又重要的非金屬單質，化學性質比較活潑，在一定條件下，能夠與金屬反應生成金屬硫化物。高中化學教科書以及百度作業幫等網絡資料都顯示硫與銅反應生成硫化亞銅。理由是硫單質的氧化性較氯氣和氧氣而言相對更弱，因此與變價金屬反應時只能生成低價金屬硫化物，即硫與銅反應生成硫化亞銅。在對蕪湖市某普通高中124名高一學生的調查中發現，很多高中生對硫和銅反應產物的認識也有相同的看法。同時有一部分學生認為反應時的溫度和反應物量的比例關系可能對產物也會有影響，學生普遍認為高溫時易生成CuS，低溫時易生成Cu2S，理由是溫度越高氧化還原反應進行得越徹底，因此Cu能被氧化成最高價態;對于量比關系對產物的影響，一些學生依據木炭在氧氣中燃燒的反應，類比推理得出硫粉少量時會生成Cu2S，過量時則生成CuS?；趯α蚝豌~反應存在的困惑，筆者改進了實驗裝置，通過控制反應溫度和反應物用量比例進行深入探究，并對反應產物進行X射線多晶衍射（XRD）表征，探討在不同溫度和用量比條件下硫和銅反應的產物。

2 相關文獻內容簡評

關于硫和銅反應實驗的研究資料比較多，大多集中于實驗裝置的改進，而對反應條件及產物的探討較少。蒯世定[1]將纏有細銅絲的塑料管直接伸入加熱的試管中與硫蒸氣反應。楊育民[2]將試管截短，加快硫蒸氣與銅絲的接觸，但都沒有處理好副產物二氧化硫的污染問題。盛錫銘[3]將纏有細銅絲的鐵絲固定在大試管的橡皮塞上，將裝有濕堿石灰的球形干燥管連接在大試管上端，吸收反應過程中產生的二氧化硫。鄧麗娟[4]用回形針將銅絲固定在具支試管的橡皮塞下部，并在具支試管的分支口處連接倒置的漏斗和濃氫氧化鈉溶液吸收尾氣。二者都是通過加熱試管內的硫粉，直至形成硫蒸氣與固定在上方的細銅絲接觸發生反應。熊言林[5]同樣利用具支試管和細銅絲進行實驗，并增加了球形干燥管（內含浸有5%氫氧化鈉的脫脂棉球）作為尾氣處理裝置。加熱具支試管內的硫粉，待硫粉受熱融化后，

立即將纏有多股細銅絲的玻璃棒伸入至具支試管內的硫蒸氣區，可觀察到細銅絲表面迅速變黑，實驗現象明顯，但實際操作過程中難度較大。王建芬[6]巧妙地利用安全套和蒸餾瓶設計了一套密閉裝置，并在蒸餾瓶的支管處安裝了裝有干燥脫脂棉和潤濕堿石灰的單球干燥管，加熱蒸餾瓶內的硫粉，將細銅絲向下推動與硫蒸氣接觸發生反應。以上的改進實驗雖然都考慮到了尾氣的處理，但不論細銅絲的位置是固定還是可移動，都難以控制銅絲伸入試管內的深度，難以確保銅絲恰好在高濃度的硫蒸氣區發生反應，若是觸及到液態硫則會覆蓋在銅絲表面，更是阻礙反應的進一步進行。以上研究也均未對產物進行檢測。因此，為確保能夠準確探尋影響硫和銅反應產物的因素，驗證學生的觀點正確與否，實驗成功的關鍵在于兩點： 一是需要排除氧氣的干擾，該實驗需要在封閉的環境中進行，且反應前需要排出裝置內的空氣;二是使裝置能夠在一個穩定的溫度下加熱，以保證反應物受熱均勻，也便于檢測不同溫度條件對產物的影響。

3 實驗過程與結果分析

3.1 實驗裝置

已有的改進實驗都使用酒精燈加熱，但考慮到酒精燈的內外焰溫差較大，溫度不易控制，且火焰的穩定性較差，加熱效率低，因此本研究選擇馬弗爐作為反應的加熱裝置。馬弗爐是一種實驗室常用的加熱設備，使用時可自主設定溫度和加熱時間，具有穩定性強、溫度控制精確以及自動化程度高等優點，便于探查溫度對產物的影響。我們設計了一種方便在馬弗爐內加熱的封閉裝置。選擇一根細長玻璃管，用酒精噴燈灼燒玻璃管的一端，待玻璃逐漸軟化后用鑷子用力夾住，直至管口完全封住。稱取一定比例的硫粉和銅粉于上述冷卻的玻璃管中，利用Schlenk操作技術[7]抽真空后，回充氮氣，始終保持玻璃管一端與雙排管的橡皮管連接，以防止空氣進入。雙手分別拿著玻璃管兩端，用酒精噴燈灼燒玻璃管中部（注意此過程要不斷旋轉玻璃管，以保證受熱均勻）。待灼燒部位稍軟化后，雙手反方向扭轉玻璃管并逐漸向外拉伸，直至玻璃管分成兩段且封口。密閉的反應發生裝置如圖1所示。

3.2 實驗設計

通過文獻調研發現，硫化銅的熱穩定性較差，加熱至220℃時分解生成硫化亞銅和硫單質。但也有資料表明硫化銅在507℃時才發生轉化[8]，為了明確硫化銅的分解溫度，本研究嘗試選擇200℃、 220℃、 250℃和500℃作為反應溫度;為了探究反應物的量比關系對產物是否有影響，控制硫和銅物質的量之比分別為0.8∶1、 1∶1和2∶1的比例關系進行實驗。為方便實驗數據的整理和記錄，確保實驗結果的準確性與嚴謹性，整個實驗均控制銅粉的物質的量是0.001mol，硫粉的物質的量為0.0008mol、 0.001mol、 0.002mol。

（1） 實驗操作步驟： 首先把馬弗爐的溫度設置為200℃，稱取硫粉質量分別為0.0259g、 0.0320g、 0.0643g，銅粉質量分別為0.0642g、 0.0639g、 0.0641g，并混合均勻。將上述裝有S、 Cu物質的量之比分別為0.8∶1、 1∶1和2∶1的藥品的玻璃管放入馬弗爐內加熱1.5h，待反應結束后取出玻璃管，冷卻至室溫。隨后再分別將溫度設定在220℃、 250℃和500℃進行上述反應。

（2） 反應產物處理： 反應結束后可觀察到部分玻璃管內有過量的硫單質凝結附著在內壁上，且由于反應前抽真空，回充氮氣，無二氧化硫產生，不必考慮硫蒸氣和二氧化硫等有害氣體對環境的污染。為除去過量的硫粉，對產物進行如下處理：?將得到的產品放入離心管內，加入一定量的CS2，超聲清洗2次后置于離心機內離心，倒去上清液，如此重復3～5次，以確保殘余的硫粉能夠完全除去;再用少量乙醇洗去CS2;最后將洗滌干凈的產品放入烘箱內于50℃干燥2小時。

（3） 反應產物檢測分析： 分別對不同條件下反應得到的產物進行了XRD表征分析，對照標準卡片，發現所得產物的特征峰與CuS的特征峰一致，確定產物為CuS（見圖2）。此外，還有部分條件下反應產物為Cu2S（見圖3），以及兩者的混合物。

為了明確硫化銅在什么溫度下分解，選取了上一步驟中制得的四個純凈的CuS產品，按照上述操作方法將樣品封存于四個玻璃管內，設置馬弗爐的溫度為300℃、 350℃、 400℃和450℃分別進行反應，加熱時間仍為1.5h。待反應結束后取出玻璃管得到產物，后續對產品的處理操作同第（2）步。對得到的物質進行XRD表征，與標準卡片對比分析后，發現產品均為CuS，即在上述溫度下，CuS并沒有發生轉化，而《無機化學》（高等教育出版社）（2015年）在附錄中，給出CuS分解為Cu2S的溫度是507℃[9]，結合本實驗，我們得到生成Cu2S的實驗溫度是500℃，因此我們認為CuS的分解溫度在500℃左右。

3.3 實驗結果討論

通過對表格中的實驗結果進行分析，可以看出：

（1） 即使在沒有氧氣存在的條件下，硫粉與銅粉共熱仍有可能生成硫化銅，說明硫單質可以將單質銅氧化成二價銅。

（2） 溫度和反應物的量比關系共同影響產物的生成： 低溫時，反應產物受硫粉量的影響較大，硫粉少量時易生成Cu2S，過量時則易生成CuS;高溫時，不論硫粉是少量還是過量，硫和銅反應都更傾向于生成Cu2S。

（3）

在本實驗條件下，CuS的分解溫度在500℃左右。

當然，硫和銅的反應產物受很多因素影響，除了本研究主要探討的溫度和量比關系外，可能還與藥品是否混合均勻、使用銅絲還是銅粉等因素有關。由此可知，硫與銅反應因條件不同其產物也不盡相同。

本研究通過多次重復實驗，憑借有力的實驗證據證明并揭示了硫和銅反應的規律。回應并澄清了學生中存在的種種困惑，從實驗的角度對網絡資料和教科書進行了補充說明，幫助學生進一步構建化學反應受條件影響的學科觀念，培養學生實驗探究的興趣和能力，引領學生深刻感受科學研究的過程與魅力。

參考文獻：

[1]蒯世定. 銅與硫反應實驗的改進[J]. 化學教育， 1999， （4）： 37.

[2]楊育民. 銅和硫反應裝置的改進[J]. 實驗教學與儀器， 1994， （5）： 18.

[3]盛錫銘. 銅與硫反應實驗的探討[J]. 化學教學， 1997， （12）： 12～13.

[4]鄧麗娟. 銅與硫反應的實驗改進[J]. 湖北中小學實驗室， 2001， （Z1）： 54.

[5]熊言林. 銅跟硫反應封閉式實驗的新設計[J]. 中國教育技術裝備， 2002， （2）： 8.

[6]王建芬， 齊俊林. 銅與硫反應實驗的新設計[J]. 化學教學， 2017， （11）： 56～58.

[7]路國梁， 宋福全， 王昭煜， 房青嵐. 無水無氧實驗技術[J]. 化學通報， 1993， （10）： 48～53.

[8][9]宋天佑， 徐佳寧， 程功臻. 無機化學（下冊）（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2015： 882.