銅與濃硫酸反應實驗異?，F象的探究及裝置的新設計

王春

摘要： 針對銅與濃硫酸反應過程中產生灰黑色沉淀及溶液呈現墨綠色等異常現象，結合實驗方案的設計與探究分析產生該異?，F象的原因是反應體系中含有Cu2O、 CuS、 Cu2S、單質S以及CuCl2-4等物質。對人教版新版教材中關于銅與濃硫酸反應的實驗裝置的優點和不足進行分析，從增強實驗的演示效果、嚴謹性、綜合性及可操作性等方面進行改進設計，取得良好的教學效果。

關鍵詞： 銅與濃硫酸; 異常現象; 實驗探究; 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2020）11-0076-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

在研究濃H2SO4的化學性質時，Cu與濃H2SO4的反應是用來說明濃H2SO4具有強氧化性的一個典型反應，為使學生能全面理解并掌握這一重要化學反應，同時了解SO2的相關化學性質，人民教育出版社最新出版的普通高中教科書（2019版）《化學（必修）第二冊》第5頁設計了如下實驗： 在帶導管的橡膠塞側面挖一個凹槽，并嵌入下端卷成螺旋狀的銅絲。在試管中加入2mL濃硫酸，塞好橡膠塞，使銅絲與濃硫酸接觸。加熱，將產生的氣體先后通入品紅溶液和石蕊溶液中，觀察實驗現象。向外拉銅絲，終止反應。冷卻后，將試管里的物質慢慢倒入盛有少量水的另一支試管里，觀察溶液的顏色[1]。實驗裝置如圖1所示。

按照教材所示實驗裝置，銅與濃硫酸反應的現象一般描述為： 反應過程中溶液逐漸變為藍色，試管中有氣體產生，該氣體能使品紅溶液褪色，使紫色石蕊溶液變紅。筆者按照教材所給實驗裝置通過反復實驗及仔細觀察，發現有如下現象產生： （1）加熱初期，銅絲表面逐漸變黑;（2）繼續加熱，有大量刺激性氣體產生，溶液逐漸變為墨綠色濁液，試管底部開始有灰白色沉淀生成;（3）再加熱，試管中出現“白霧”，濁液逐漸變為澄清，溶液顏色慢慢變為淺藍色，試管底部灰白色沉淀增多;（4）冷卻，靜置，將試管中液體倒入另一支盛水試管中，管壁發燙，溶液略帶藍色，將灰白色固體倒入水中，形成藍色溶液[2]。上述實驗現象與教材中預期的實驗現象存在較大的差異，筆者帶著疑問查閱了相關資料，并進行相關的實驗探究和實驗改進。

2? 對實驗異常現象的解釋探究

相關文獻資料對銅和濃硫酸的反應隨著溫度的變化對應的反應進行了如下解釋[3]：

（1） 當反應溫度在100℃左右，發生的主要反應為： 5Cu+4H2SO4（濃）△Cu2S+3CuSO4+4H2O。

（2） 溫度高于100℃，隨反應溫度逐漸升高，發生的反應有：

Cu+H2SO4（濃）△CuO+SO2↑+H2O; 2Cu+H2SO4（濃）△Cu2O+SO2↑+H2O;

Cu+2H2SO4（濃）△CuSO4+SO2↑+2H2O;

Cu2S+2H2SO4（濃）△CuSO4+CuS+SO2↑+2H2O;

CuS+2H2SO4（濃）△CuSO4+SO2↑+S+2H2O。

因此，根據上述反應的發生，銅和濃硫酸反應過程中除了生成主要產物CuSO4和SO2外，還應有很多副產物生成。反應最終生成的沉淀成分有哪些？反應體系溶液和沉淀的顏色變化如何解釋？筆者結合相關文獻資料并通過實驗探究作如下分析。

2.1? 沉淀物的成分分析

為了檢驗Cu與濃H2SO4反應生成沉淀物的成分，本實驗設計了如下探究性實驗方案（如表1所示）。

實驗組別實驗方案實驗現象實驗結論（1）取Cu與濃H2SO4反應生成的沉淀物，用蒸餾水進行多次洗滌，干燥，得到沉淀物試樣（下同），然后取少量試樣放入試管中，向其中滴加適量濃硝酸，觀察實驗現象試管中沉淀逐漸溶解，并產生大量紅棕色氣體沉淀中可能有CuS、 Cu2S、 Cu2O、 S等還原性物質

（2）分別取少量試樣放入兩支試管中，向其中一支試管中滴加適量稀鹽酸（或稀硫酸），振蕩，加熱;向另一支試管中滴加適量濃鹽酸，振蕩，加熱，觀察現象滴加適量稀鹽酸（或稀硫酸）試管中沉淀不溶解;

滴加適量濃鹽酸試管中沉淀幾乎全部溶解沉淀中有CuS、 Cu2S

（3）取少量試樣放入一支試管中，向其中滴加5mL左右的酒精，充分搖動后，靜置、過濾，然后把濾液移入盛有水的試管中，稍加搖動，觀察酒精與水的界面現象酒精與水的界面呈現乳白色沉淀中有被酒精溶解的單質S

（4）取少量試樣放入一支試管中，向其中滴加2～3mL氨水，振蕩，觀察現象，在空氣中放置一段時間后，繼續觀察現象沉淀中滴加氨水后，溶液呈極淺藍色，靜置觀察，淺藍色物質在空氣中顏色逐漸變深，呈深藍色沉淀中有Cu2O固體

注： Cu2O存在的特征反應：

Cu2O+4NH3·H2O2[Cu（NH3）2]+（極淺藍色）+2OH-+3H2O

2[Cu（NH3）2]++4NH3·H2O+1/2O22[Cu（NH3）4]2+（深藍色）+2OH-+3H2O

通過上述實驗現象可知，Cu與濃H2SO4反應生成沉淀的主要成分有Cu2O、 CuS、 Cu2S和單質S，沉淀中理論上可能存在的CuO會在反應過程中與濃硫酸及濃度逐漸變稀的稀硫酸反應生成CuSO4。

2.2? 反應體系溶液及沉淀顏色分析

在加熱初期，溫度低于100℃時，濃硫酸氧化性不夠強，部分Cu失去1個電子變為Cu+，因為Cu+電子構型為3d10，在干燥環境（濃H2SO4）中較為穩定;Cu2S溶度積又特別小[Ksp（Cu2S）=2.0×10-47