“銅和濃硫酸反應”實驗的改進方法

袁朝英

(南京師范大學附屬中學江寧分校,江蘇 南京 211102)

“銅與濃硫酸反應”實驗是高中化學實驗教學中的重要內容,涉及很多知識點和基礎理論知識.根據對舊版化學教材中“銅和濃硫酸反應”實驗的分析可知,該實驗存在著不完善之處,需要優化和改進.為了彌補實驗中現存的缺陷,已將銅板轉換為銅片,再和濃硫酸反應.但是,此改進實驗也不完美,在實驗結束之后,即使已經撤掉了酒精燈,仍然無法停止化學反應,造成實驗試劑的浪費[1].需要廣大教師繼續研究該化學實驗的改進方法.

1 化學教材中的“銅和濃硫酸反應”實驗

在帶有導管的橡膠塞側面挖凹槽,插入銅線線圈.試管中加入2 mL濃硫酸,用橡膠塞塞住,使濃硫酸與銅線接觸.加熱后,將產生的氣體依次通入品紅溶液和石蕊溶液中,觀察實驗現象.向外拉銅線終止反應,冷卻后,將試管中的內容物慢慢倒入另一支加少許水的試管中,觀察溶液顏色.

注意事項:

(1)圖標說明

①需要佩戴護目鏡,保護眼睛;

②實驗中會用到明火.要正確使用火源,并束好長發、系緊寬松衣物;

③實驗中會遇到加熱操作,或用到溫度較高的儀器.應選擇合適的工具進行操作,避免直接觸碰;

④實驗中會用到或產生有害氣體,或產生煙、霧.應開啟排風管道或排風扇;

⑤實驗結束后,離開實驗室前需用肥皂等清洗雙手.

(2)濃硫酸具有很強的腐蝕性,在實驗中應注意安全防護

實驗目的:認識濃硫酸與銅的反應,進一步了解SO2性質、掌握濃硫酸性質.

實驗原理:

實驗器材:試管、酒精燈、直角玻璃導管、一個小孔的橡皮塞、量筒、燒杯.

圖1為傳統“銅和濃硫酸反應實驗”裝置圖.

圖1 傳統“銅和濃硫酸”反應實驗圖

2 “銅和濃硫酸反應”實驗的改進設計

實驗作用是讓學生更容易理解化學現象,學習化學知識,感知化學原理.學生在參與動手體驗中能更直觀地看到實驗現象,了解操作方法和化學原理,形成更深刻的認知體會.針對“銅和濃硫酸反應實驗”中的問題進行分析,再提出改進方法.

2.1 高中化學教材中“銅和濃硫酸反應”實驗存在的問題

2.1.1實驗器材選擇問題

為了讓實驗人員隨時控制實驗進程,使用銅絲.實驗人員在抽動銅絲控制實驗時,因為橡皮塞上有小槽,若銅絲抽動不當,會導致二氧化硫氣體外泄,污染空氣.銅絲在經過橡皮塞的凹槽進入到試管中時,會接觸到試管內壁.具體操作時不方便,可能會破壞實驗器材.

2.1.2二氧化硫處理問題

新版教科書中使用銅絲開展實驗,利用銅絲抽動完成實驗進程控制.因為橡皮塞有凹槽,很容易發生二氧化硫泄露問題.如果無法及時處理二氧化硫氣體流出后問題,不僅會污染空氣,還會威脅到教師和學生的身心健康.

2.1.3防止倒吸與實驗進程控制需求難以同時滿足

雖然教材中設置了尾氣吸收裝置,降低二氧化硫對空氣產生的污染,但二氧化硫氣體的溶解度很大,發生倒吸問題的概率更高.如果先移開酒精燈,會出現倒吸,可能導致反應試管炸裂,濃硫酸泄露,傷害到實驗人員,有一定的安全隱患;如果是后移開酒精燈,必須將兩支試管中的導管拔出來,又有可能引起二氧化硫氣體泄露,與綠色化學的要求不符合.

2.2 高中化學“銅和濃硫酸反應”實驗的改進方法

2.2.1改進要點

第一,減少銅絲與試管內壁觸碰的幾率,優化實驗器材設計;第二,優化尾氣處理裝置,合理處理實驗產生的二氧化硫氣體;第三,同時滿足防止倒吸與控制實驗進程的雙重目標.

改進實驗需使用的儀器:鐵架臺、兩支大試管(雙孔塞)、洗耳球、燒杯、氫氧化鈉溶液、濃硫酸、品紅溶液、酒精燈、玻璃試管、橡膠管.優化實驗裝置如圖2所示.

圖2 優化實驗裝置圖

2.2.2實驗優化后的優點

第一,設計簡單.二氧化硫氣體的產生、檢測與處理裝置都是常規裝置,設計過程簡便.第二,實驗反應速度快.可以通過移動銅絲控制實驗反應.第三,實驗的氣密性更好.橡膠緊密包裹與擠壓銅絲,避免氣體泄露.第四,在銅絲和玻璃導管之間留了足夠的空隙,減少銅絲損壞儀器的內壁.第五,銅絲和濃硫酸在反應過程中產生的黑色沉淀較少,可以讓學生清晰地觀察到結果.利用氫氧化鈉溶液處理尾氣,避免出現倒吸情況.第六,在拆除該裝置之前,可以采用向橡膠管裝置當中吹入空氣方式,排除裝置中殘存的二氧化硫氣體,安全處理二氧化硫危害氣體,避免對空氣產生不良影響,讓整個實驗過程更加綠色環保[2].

2.3 優化實驗實施中需要注意的事項

(1)濃硫酸的使用量為2 mL左右,避免浪費.銅絲事前打磨好,確保銅絲上的保護層剝落.

(3)仔細觀察實驗現象,等安全裝置中的品紅溶液褪色之后(品紅溶液遇二氧化硫生成無色物質,加熱后品紅溶液復色),實驗人員需要將銅和濃硫酸分離,停止繼續發生化學反應.

(4)當實驗裝置冷卻后,利用氫氧化鈉溶液吸收實驗反應產生的氣體,讓學生可清晰觀察到溶液顏色的變化.

3 實驗原理及實驗改進總結

由于二氧化硫有毒性,會污染環境,在化學實驗中應盡量避免二氧化硫逸出對外部環境產生的不良影響.改進后優化了實驗裝置的氣密性設置和尾氣處理裝置,有效阻止各種副作用的發生[3].總而言之,學生通過參與改進后的化學實驗,充分發揮主體作用,結合實際觀察現象來思考有效的化學操作.在體驗中主動思考化學現象與規律,促進學生參與積極性的提升和思維的活躍,也讓學生的知識不斷內化,進而達成提升能力與落實核心素養.