用N形管和三通閥改進銅與濃硫酸反應實驗

周密　岑秋琳　安浪沙　王中華

摘要： 銅與濃硫酸反應的實驗是高中化學比較重要的實驗之一。針對現行教材中該反應實驗裝置的不足，在分析總結文獻中已有的多項改進方案后，提出以N形管和三通閥聯合使用的創新設計方案。改進后的實驗方案具有實驗裝置小巧、反應可控、實驗現象明顯、無污染氣體排出、能防倒吸等特點。

關鍵詞： 銅和濃硫酸反應； 實驗改進； 實驗探究； N形管； 三通閥

文章編號： 10056629（2023）10007103 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題提出

銅與濃硫酸反應的實驗是學生理解濃硫酸的強氧化性與酸性以及二氧化硫的漂白性與酸性的重要實驗。在現行的人教版《化學》必修第二冊中，該實驗是通過抽拉銅絲控制反應進行的，然后將產生的氣體依次通入品紅溶液和石蕊溶液中，以驗證生成的二氧化硫的漂白性和酸性，并且在最后一個試管的管口塞了一個浸有氫氧化鈉溶液的棉球，用以吸收多余的二氧化硫。在反應結束后，將試管內的物質倒入盛有少量蒸餾水的另一支試管中，以檢測生成物硫酸銅。該實驗裝置如圖1所示［1］。在此實驗中，相比舊版教材，增加了用于吸收SO2尾氣的氫氧化鈉棉球，以及用于檢驗SO2酸性的紫色石蕊溶液。但該實驗存在以下不足：（1）銅絲由橡膠塞側面凹槽伸入試管中，向外拉動銅絲的時候，容易導致橡膠塞脫落，不易保證裝置的氣密性。（2）反應完成后，在拆除裝置時，裝置內殘存的SO2會污染環境。（3）在冷卻過程中，品紅溶液易被倒吸進入反應試管。（4）冷卻后將剩余物質倒入盛有少量水的試管里，溶液的藍色并不明顯。

2 相關文獻簡評

基于以上問題，不少研究者對該實驗從不同的角度提出了改進，這里簡單分析一下近期發表的三個改進實驗。

張紅衛［2］通過使用Y形管和環頸雙球，再用針筒注水、雙聯打氣球打氣，以及盛有堿液雙球漏斗，實現了對殘留的SO2的完全吸收，也防止了倒吸。不足之處是：不能控制反應的進程，會有較多的黑色副產物生成，從而對實驗現象產生了干擾，且沒有對產物二氧化硫的酸性進行驗證。

李文杰［3］的改進是：在裝置反應部分添加了一個洗耳球，反應完后用洗耳球將裝置內氣體吹入雙通管，使裝置內殘存的SO2被雙通管中的含有氫氧化鈉溶液的脫脂棉吸收；將98%的濃硫酸改為80%的濃硫酸進行實驗，反應后更易呈現藍色的現象；將品紅溶液和石蕊溶液改為蘸有品紅和石蕊的試紙，實現了微量化的改進；同時通過將銅絲插入膠頭滴管內，可以更輕易地抽動銅絲，從而控制反應的進行。不足之處是：脫脂棉中含有的氫氧化鈉溶液有限，無法將裝置內的SO2吸收完全；將膠頭滴管和導管插入橡皮塞中的操作較為繁瑣，且不易保證裝置的氣密性。

鞏永銳［4］的改進實現了對殘留二氧化硫的吸收處理，能防倒吸，也能對反應速率進行控制。不足之處是：該實驗裝置較為龐大，在演示實驗時需要較大的空間，且帶平臺的直角玻璃較為細長，存放十分不便。

3 改進方案

3.1 儀器與藥品

儀器：N形管、三通閥、磁力攪拌子、磁環、10mL注射器（兩個，其中一個帶針頭）、橡膠塞、膠頭滴管、酒精燈、鐵架臺（帶鐵夾）、火柴

藥品：濃硫酸（98%）、銅絲（長約15cm）、1mol/L氫氧化鈉溶液、品紅溶液、紫色石蕊溶液、蒸餾水

N形管：如圖2所示。左右兩側都為長約16cm、內徑約1.5cm的硬質玻璃試管，左側試管離底部約1cm處與右側試管離底部約10cm處通過口徑較大的導管（內徑約8mm）將兩試管連通即可（可定制）。

三通閥：如圖3所示。有三個出入口，旋轉旋鈕，利用閥門的切換可以實現液體在三個口的自由進出。

實驗裝置如圖4所示。

3.2 實驗步驟及現象

（1） 取約7mL 1mol/L的氫氧化鈉溶液，向其中滴加幾滴紫色石蕊溶液，溶液變藍，得到含石蕊的氫氧化鈉溶液。

（2） 選取一段長約15cm的銅絲，上端纏繞在磁力攪拌子上，下端折疊成螺旋狀。

（3） 將三通閥一端接上注射器針頭，插入橡膠塞中，在另外兩端分別接上裝有約4mL的蒸餾水和4mL 1mol/L的氫氧化鈉溶液的注射器（三通閥連有注射器針頭的一端為a口，裝有氫氧化鈉溶液的一端為b口，裝有蒸餾水的一端為c口）。

（4） 將N形管固定在鐵架臺上，向N形管左側試管（以下簡稱左側試管）中加入第一步制得的含石蕊的氫氧化鈉溶液，高度約3cm；N形管右側試管（以下簡稱右側試管）中加入約1.5mL的濃硫酸，然后將處理好的銅絲放入右側試管中，并通過磁環將其與濃硫酸分離；隨后將接有三通閥的橡皮塞塞在右側試管管口。

（5） 檢查裝置氣密性。方法為：點燃酒精燈，加熱右側試管中的濃硫酸，若N形管中間的導管處（以下簡稱導管）的液柱高度逐漸降低，降低至導管與左側試管的接口處，使左側試管產生氣泡，則說明裝置氣密性良好。

（6） 繼續加熱濃硫酸至有少量白霧生成，然后將磁環向下移動，控制銅絲與濃硫酸接觸，讓銅絲與濃硫酸反應?，F象：濃硫酸接觸銅絲后劇烈反應，產生大量白霧，蘸有品紅的濾紙逐漸褪色，即驗證了二氧化硫的漂白性；并且左側試管繼續產生氣泡。

（7） 待反應約50秒后，左側試管中含石蕊的氫氧化鈉溶液由藍色變為紅色，即驗證了二氧化硫的酸性。此時熄滅酒精燈，將磁環向上移動，終止反應。然后再靜置冷卻半分鐘左右，旋轉三通閥的旋鈕，使a、 c口相通，向其中緩慢注入約4mL蒸餾水?，F象：靜置后，右側試管底部有灰白色沉淀生成，溶液為淺墨藍色；加入蒸餾水后，底部灰白色沉淀溶解，溶液呈現淺墨藍色，藍色較淺，并且其中漂浮著黑色小顆粒固體。

（8） 再次旋轉三通閥旋鈕，使a、 b口相通，向其中緩慢注入4mL 1mol/L的氫氧化鈉溶液?，F象：液體分層，上層溶液為無色，中間層出現明顯的藍色絮狀沉淀，下層仍為淺墨色溶液。

3.3 改進實驗的優點

（1） 改進實驗整個裝置全程密封，不會存在二氧化硫逸出的情況，且裝置內殘留的二氧化硫也會被完全吸收。

（2） 實驗現象明顯，便于學生觀察，從加熱到反應結束整個過程均有實驗現象發生，能吸引學生的注意力，引發學生的興趣。

（3） 反應進程可控。在反應過程中，利用磁力攪拌子與磁環的吸引力來控制銅絲上下移動，從而實現控制反應進程的目的。

（4） 倒吸可防。在左側試管內，含石蕊的氫氧化鈉溶液的量僅僅超過了接口1.5cm左右，N形管的結構保證其維持一個動態平衡，因此左側試管內的氫氧化鈉溶液不會出現倒吸現象而進入右側試管中。

（5） 此實驗不僅可以通過觀察銅離子的藍色來證明生成硫酸銅，并且新增了通過利用生成氫氧化銅的方式對銅離子進行檢驗。氫氧化銅沉淀的藍色比溶液的藍色更明顯，即使溶液中的銅離子濃度較低，只要生成了氫氧化銅，藍色就很明顯，更易于學生觀察。

4 幾點說明

（1） 實驗時應先將濃硫酸預熱至有少量白霧后再將銅絲與其接觸反應，可有效減少副反應的發生［5］。

（2） 三通閥內的蒸餾水滴加的速度不宜過快，若過快會導致右側試管溶液上端的銅離子較少，滴加氫氧化鈉后生成的氫氧化銅就較少，現象沒那么明顯。此時，可通過磁環用銅絲將溶液攪拌一下，使溶液中的銅離子分布均勻，然后再滴加氫氧化鈉溶液。

（3） 向右側試管中滴加氫氧化鈉溶液分層的原因是試管口徑較小，溶液不易擴散，先滴加的氫氧化鈉與原試管上層溶液中的銅離子反應生成藍色的氫氧化銅絮狀沉淀，該絮狀沉淀阻隔氫氧化鈉與下層溶液繼續反應，從而出現分層現象。

（4） 銅絲預先要用砂紙打磨，所用的水以及配制溶液的水均要使用蒸餾水。因為銅絲表面通常會有一層聚氯乙烯，在反應過程中會生成氯離子，且自來水中含有氯離子，若溶液中氯離子濃度過高，會生成黃色的［CuCl4］2-，與水合銅離子的藍色混合，從而使溶液呈現綠色［6］，在滴加氫氧化鈉溶液后，對藍色沉淀的觀察會造成一定的干擾影響。

參考文獻：

［1］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中化學教科書·化學必修第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 5.

［2］張紅衛. 濃硫酸與銅反應實驗的改進［J］. 化學教學， 2020， （1）： 67～69.

［3］李文杰. 濃硫酸與銅反應實驗的改進［J］. 化學教學， 2019， （7）： 63～65.

［4］鞏永銳， 李忠恒， 周麗梅等. 銅與濃硫酸反應實驗裝置的一體化新設計［J］. 化學教學， 2022， （6）： 68～71.

［5］王繼璋. 溫度對銅和濃硫酸反應的影響探究［J］. 化學教育， 2013， 34（9）： 64，68.

［6］夏立先. 對銅與濃硫酸反應溶液呈綠色的實驗探究［J］. 化學教學， 2015，（7）： 64～65.