銅與濃硫酸反應(yīng)裝置的新設(shè)計(jì)

張苗　萬鑫潔　彭新月

摘要： 針對現(xiàn)有教材以及文獻(xiàn)報(bào)道中“銅與濃硫酸反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)裝置的不足進(jìn)行改進(jìn)。使用定制的下端開口的具支試管做反應(yīng)容器，反應(yīng)完后打開活塞即可檢驗(yàn)銅離子；用T形塞代替橡膠塞，并在銅絲上涂凡士林，可輕松拉動(dòng)銅絲控制反應(yīng)進(jìn)程；用脫脂棉柱吸收蒸發(fā)出來的酸霧，避免其對二氧化硫的檢驗(yàn)產(chǎn)生干擾。新設(shè)計(jì)的裝置，能很好地控制反應(yīng)進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且能驗(yàn)證二氧化硫的漂白性、酸性及還原性。

關(guān)鍵詞： 銅與濃硫酸反應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)； 實(shí)驗(yàn)探究； 具支試管

文章編號(hào)： 10056629（2023）11006504 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

銅與濃硫酸的反應(yīng)是高中化學(xué)非常重要的演示實(shí)驗(yàn)，對于學(xué)生理解濃硫酸的強(qiáng)氧化性具有重要作用。已有的多套高中化學(xué)教材，都對銅與濃硫酸的反應(yīng)進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，但在實(shí)際操作中仍存在一些不足，下面對教材及一些文獻(xiàn)中的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行簡要分析。

1.1 教材實(shí)驗(yàn)分析

1.1.1 蘇教版（新版）教材

蘇教版2020年（新版）教材的反應(yīng)裝置如圖1所示［1］。實(shí)驗(yàn)用銅片與濃硫酸反應(yīng)，用品紅溶液檢驗(yàn)生成的二氧化硫。該實(shí)驗(yàn)裝置簡單易行，但該裝置還存在以下問題：

（1） 用銅片與濃硫酸反應(yīng)，反應(yīng)進(jìn)程較難控制。且銅片與濃硫酸在溫度較低時(shí)會(huì)生成CuO、 CuS、 Cu2S等黑色副產(chǎn)物，影響后續(xù)對硫酸銅溶液的顏色觀察。

（2） 沒有防倒吸裝置，品紅溶液可能會(huì)倒吸至灼熱的試管中。

（3） 反應(yīng)停止后，裝置中殘余的SO2沒有被完全吸收，拆除裝置時(shí)造成SO2逸出污染環(huán)境。

（4） 反應(yīng)完后混合液中H2SO4溶液的濃度仍然很高，且濃硫酸的吸水性強(qiáng)于CuSO4，導(dǎo)致CuSO4以白色固體的形式沉積在試管底部，不易觀察到硫酸銅溶液的藍(lán)色。

1.1.2 滬科版教材

滬科版教材的反應(yīng)裝置如圖2所示［2］。實(shí)驗(yàn)利用抽氣裝置解決了溶液的倒吸問題，但還存在以下問題：

（1） 抽氣裝置在中學(xué)并不普及。

（2） 用銅片與濃硫酸反應(yīng)，反應(yīng)進(jìn)程較難控制。且會(huì)生成較多的CuO、 CuS、 Cu2S等黑色副產(chǎn)物，影響后續(xù)觀察硫酸銅溶液的顏色。

（3） 反應(yīng)完后H2SO4的濃度仍然很大，不易觀察到硫酸銅溶液的藍(lán)色。

1.1.3 人教版（新版）教材

人教版2019版（新版）教材的反應(yīng)裝置如圖3所示［3］。該方案驗(yàn)證了SO2的酸性，使用NaOH溶液吸收多余的SO2，裝置簡單，但該方案還存在以下問題：

（1） 銅絲與橡膠塞之間的摩擦力較大，在上下拉動(dòng)銅絲的過程中可能拉出橡膠塞或損壞試管，操作很不方便。

（2） 沒有防倒吸裝置，品紅溶液可能會(huì)倒吸至灼熱的試管中。

（3） 反應(yīng)完后混合液中H2SO4的濃度仍然很大，不易觀察到硫酸銅溶液的藍(lán)色。

（4） 浸有NaOH溶液的棉團(tuán)不能將SO2完全吸收，拆除裝置時(shí)多余的SO2逸出污染環(huán)境。

1.2 對文獻(xiàn)已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的分析

查閱銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)存在各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，以下選擇具有代表性的幾類改進(jìn)實(shí)驗(yàn)作簡要評述。

（1） 實(shí)驗(yàn)1［4］：銅絲從橡膠管中穿出，通過上下拉動(dòng)銅絲控制反應(yīng)進(jìn)程，使用品紅溶液檢驗(yàn)生成的SO2，用NaOH溶液吸收多余的二氧化硫氣體。但該裝置存在以下不足：①在上下拉動(dòng)銅絲的過程中易帶出橡膠管；②反應(yīng)完后混合液中H2SO4濃度很大，難以觀察到藍(lán)色的硫酸銅溶液；③裝置內(nèi)殘余的SO2氣體無法除去。

（2） 實(shí)驗(yàn)2［5］：利用銅絲穿過膠頭滴管的膠帽，通過上下拉動(dòng)銅絲，能較好地控制反應(yīng)進(jìn)程。使用洗耳球鼓出多余的SO2氣體，能防止裝置內(nèi)殘余的SO2污染環(huán)境。但該實(shí)驗(yàn)的不足之處：①蘸有NaOH溶液的脫脂棉無法完全吸收SO2氣體。②加熱濃硫酸至沸騰時(shí)，濃硫酸酸霧會(huì)蒸發(fā)至右側(cè)玻璃管中，與石蕊試紙發(fā)生顯色反應(yīng)。

（3） 實(shí)驗(yàn)3［6］：將銅絲纏繞在攪拌子上，利用磁環(huán)吸引攪拌子上下移動(dòng)，從而控制反應(yīng)的發(fā)生與停止。反應(yīng)完后將注射器中的水注入反應(yīng)體系，可明顯觀察到溶液變藍(lán)。但該實(shí)驗(yàn)仍存在以下不足：①攪拌子的磁性較弱，磁鐵有時(shí)無法吸住攪拌子。②反應(yīng)完后混合液中H2SO4濃度仍然很大，直接將注射器中的水注入濃度較大的硫酸中，不符合濃硫酸的稀釋規(guī)則。③加熱蒸發(fā)出的酸霧也會(huì)與右側(cè)石蕊試紙發(fā)生顯色反應(yīng)。

（4） 實(shí)驗(yàn)4［7］：自制的“加料瓶”下端有一個(gè)開口，反應(yīng)完畢后，打開單向閥，使混合液流入右下角盛水的燒杯中，可在燒杯中觀察到明顯的藍(lán)色。使用單向閥解決了NaOH溶液的倒吸問題。但“加料瓶”體積過大，所需的反應(yīng)試劑量較多，且隔著石棉網(wǎng)加熱，加熱速率較慢。在上下拉動(dòng)銅絲的過程中易將橡膠管拉出來，造成SO2氣體逸出。

為此筆者以教材原型實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，提出了一套新的改進(jìn)方案。新方案能較好地控制反應(yīng)進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，有防倒吸裝置，且能一體化驗(yàn)證二氧化硫的漂白性、酸性和還原性。

2 銅與濃硫酸實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)定制了一個(gè)下端開口的具支試管作反應(yīng)容器，如圖4所示，使用該裝置能方便地檢驗(yàn)生成的Cu2+。

完整的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)儀器：定制的具支試管、硬質(zhì)玻璃管、酒精燈、雙聯(lián)打氣球、鐵架臺(tái)、漏斗、橡膠塞（2個(gè)）、T形塞（1個(gè)）、直角導(dǎo)管、100mL燒杯、火柴、鑷子、膠頭滴管

實(shí)驗(yàn)藥品：銅絲（直徑1mm，長約20cm）、市售濃硫酸（98%）、品紅溶液、石蕊溶液、酸性高錳酸鉀稀溶液、脫脂棉、飽和NaOH溶液、蒸餾水

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 如圖5所示連接好裝置，并檢查裝置氣密性。

（2） 用膠頭滴管吸取約4mL濃硫酸于定制試管中，在T形塞上面打兩個(gè)孔，孔徑分別為1mm和4mm（便于讓銅絲和雙聯(lián)打氣球穿過T形塞）。選擇一段直徑1mm、長約20cm的銅絲，下端繞成螺旋狀，長約2.5cm，在銅絲上端涂上凡士林后穿過T形塞。同時(shí)將雙聯(lián)打氣球穿過T形塞，并關(guān)閉雙聯(lián)打氣球上的止水夾，最后用帶有銅絲和打氣球的T形塞塞住試管口。

（3） 在硬質(zhì)玻璃管左側(cè)一端放置脫脂棉柱，然后分別用稀高錳酸鉀溶液、紫色石蕊溶液、品紅溶液將三個(gè)脫脂棉團(tuán)潤濕，用鑷子將潤濕后的三個(gè)脫脂棉團(tuán)放在硬質(zhì)玻璃右側(cè)一端。

（4） 將直角導(dǎo)管一端插入硬質(zhì)玻璃管右端，另一端通過橡膠管與倒放的漏斗連接。漏斗口伸入NaOH濃溶液中。

（5） 點(diǎn)燃酒精燈，加熱濃硫酸至產(chǎn)生大量酸霧，將銅絲伸入濃硫酸中，不久后觀察到浸有品紅溶液的脫脂棉褪色，浸有石蕊溶液的脫脂棉由紫色變?yōu)榧t色，浸有酸性高錳酸鉀溶液的脫脂棉褪色。將銅絲抽離濃硫酸，停止加熱。

（6） 待試管中反應(yīng)液冷卻后，打開右側(cè)下端玻璃塞，使反應(yīng)后的混合液流入燒杯中的蒸餾水中，觀察到燒杯中溶液變藍(lán)。打開止水夾，用雙聯(lián)打氣球向裝置鼓氣，使裝置內(nèi)殘留的SO2被右側(cè)燒杯中的NaOH濃溶液吸收。

（7） 加熱浸有品紅溶液的脫脂棉，發(fā)現(xiàn)脫脂棉再次變?yōu)榧t色。

2.4 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

（1） 在銅絲上端涂凡士林，并用T形塞代替橡膠塞堵塞試管，能很好控制反應(yīng)的停止與發(fā)生。

（2） 定制一個(gè)下端開口的具支試管，反應(yīng)完后打開玻璃塞使混合液流入燒杯蒸餾水中，可觀察到明顯的藍(lán)色。

（3） 選用浸有品紅溶液、石蕊溶液、酸性高錳酸鉀溶液的脫脂棉團(tuán)，可大大減少藥品用量。

（4） 在浸有品紅溶液的脫脂棉團(tuán)前增加一段脫脂棉柱可避免濃硫酸酸霧與石蕊溶液發(fā)生顯色反應(yīng)。

（5） 將銅與濃硫酸的反應(yīng)與二氧化硫的性質(zhì)檢驗(yàn)在一套裝置中進(jìn)行。

（6） 使用雙聯(lián)打氣球向裝置鼓風(fēng)，可有效將裝置中殘留的SO2排盡。

（7） 使用倒放漏斗代替導(dǎo)管伸入濃NaOH溶液中，可有效防倒吸。

參考文獻(xiàn)：

［1］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修（第一冊）［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 95～96.

［2］姚子鵬主編. 高級(jí)中學(xué)課本·化學(xué)（高中一年級(jí)第二學(xué)期）（試用本）［M］. 上海： 上海科學(xué)技術(shù)出版社， 2018： 95～96.

［3］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中化學(xué)教科書·化學(xué)（必修）第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 5.

［4］何自航， 丁偉. 銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2012， （3）： 49～50.

［5］李文杰. 濃硫酸與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （7）： 63～65.

［6］鞏永銳， 李忠恒. 銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的一體化新設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （6）： 68～71.

［7］曹桂禎， 饒慧伶. 有害氣體實(shí)驗(yàn)通用防污染裝置的設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （10）： 71～74.