铜与浓硫酸反应装置的新设计

时间：2024-05-04

张苗　万鑫洁　彭新月

摘要：针对现有教材以及文献报道中“铜与浓硫酸反应”实验装置的不足进行改进。使用定制的下端开口的具支试管做反应容器，反应完后打开活塞即可检验铜离子；用T形塞代替橡胶塞，并在铜丝上涂凡士林，可轻松拉动铜丝控制反应进程；用脱脂棉柱吸收蒸发出来的酸雾，避免其对二氧化硫的检验产生干扰。新设计的装置，能很好地控制反应进程，实验现象明显，且能验证二氧化硫的漂白性、酸性及还原性。

关键词：铜与浓硫酸反应；实验装置改进；实验探究；具支试管

文章编号： 10056629（2023）11006504 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

铜与浓硫酸的反应是高中化学非常重要的演示实验，对于学生理解浓硫酸的强氧化性具有重要作用。已有的多套高中化学教材，都对铜与浓硫酸的反应进行了不同的实验设计，但在实际操作中仍存在一些不足，下面对教材及一些文献中的改进实验进行简要分析。

1.1 教材实验分析

1.1.1 苏教版（新版）教材

苏教版2020年（新版）教材的反应装置如图1所示［1］。实验用铜片与浓硫酸反应，用品红溶液检验生成的二氧化硫。该实验装置简单易行，但该装置还存在以下问题：

（1）用铜片与浓硫酸反应，反应进程较难控制。且铜片与浓硫酸在温度较低时会生成CuO、 CuS、 Cu2S等黑色副产物，影响后续对硫酸铜溶液的颜色观察。

（2）没有防倒吸装置，品红溶液可能会倒吸至灼热的试管中。

（3）反应停止后，装置中残余的SO2没有被完全吸收，拆除装置时造成SO2逸出污染环境。

（4）反应完后混合液中H2SO4溶液的浓度仍然很高，且浓硫酸的吸水性强于CuSO4，导致CuSO4以白色固体的形式沉积在试管底部，不易观察到硫酸铜溶液的蓝色。

1.1.2 沪科版教材

沪科版教材的反应装置如图2所示［2］。实验利用抽气装置解决了溶液的倒吸问题，但还存在以下问题：

（1）抽气装置在中学并不普及。

（2）用铜片与浓硫酸反应，反应进程较难控制。且会生成较多的CuO、 CuS、 Cu2S等黑色副产物，影响后续观察硫酸铜溶液的颜色。

（3）反应完后H2SO4的浓度仍然很大，不易观察到硫酸铜溶液的蓝色。

1.1.3 人教版（新版）教材

人教版2019版（新版）教材的反应装置如图3所示［3］。该方案验证了SO2的酸性，使用NaOH溶液吸收多余的SO2，装置简单，但该方案还存在以下问题：

（1）铜丝与橡胶塞之间的摩擦力较大，在上下拉动铜丝的过程中可能拉出橡胶塞或损坏试管，操作很不方便。

（2）没有防倒吸装置，品红溶液可能会倒吸至灼热的试管中。

（3）反应完后混合液中H2SO4的浓度仍然很大，不易观察到硫酸铜溶液的蓝色。

（4）浸有NaOH溶液的棉团不能将SO2完全吸收，拆除装置时多余的SO2逸出污染环境。

1.2 对文献已有改进实验的分析

查阅铜与浓硫酸反应实验的相关文献，发现存在各自的优点和不足，以下选择具有代表性的几类改进实验作简要评述。

（1）实验1［4］：铜丝从橡胶管中穿出，通过上下拉动铜丝控制反应进程，使用品红溶液检验生成的SO2，用NaOH溶液吸收多余的二氧化硫气体。但该装置存在以下不足：①在上下拉动铜丝的过程中易带出橡胶管；②反应完后混合液中H2SO4浓度很大，难以观察到蓝色的硫酸铜溶液；③装置内残余的SO2气体无法除去。

（2）实验2［5］：利用铜丝穿过胶头滴管的胶帽，通过上下拉动铜丝，能较好地控制反应进程。使用洗耳球鼓出多余的SO2气体，能防止装置内残余的SO2污染环境。但该实验的不足之处：①蘸有NaOH溶液的脱脂棉无法完全吸收SO2气体。②加热浓硫酸至沸腾时，浓硫酸酸雾会蒸发至右侧玻璃管中，与石蕊试纸发生显色反应。

（3）实验3［6］：将铜丝缠绕在搅拌子上，利用磁环吸引搅拌子上下移动，从而控制反应的发生与停止。反应完后将注射器中的水注入反应体系，可明显观察到溶液变蓝。但该实验仍存在以下不足：①搅拌子的磁性较弱，磁铁有时无法吸住搅拌子。②反应完后混合液中H2SO4浓度仍然很大，直接将注射器中的水注入浓度较大的硫酸中，不符合浓硫酸的稀释规则。③加热蒸发出的酸雾也会与右侧石蕊试纸发生显色反应。

（4）实验4［7］：自制的“加料瓶”下端有一个开口，反应完毕后，打开单向阀，使混合液流入右下角盛水的烧杯中，可在烧杯中观察到明显的蓝色。使用单向阀解决了NaOH溶液的倒吸问题。但“加料瓶”体积过大，所需的反应试剂量较多，且隔着石棉网加热，加热速率较慢。在上下拉动铜丝的过程中易将橡胶管拉出来，造成SO2气体逸出。

为此笔者以教材原型实验为基础，结合改进实验的优点，通过反复的实验，提出了一套新的改进方案。新方案能较好地控制反应进程，实验现象明顯，有防倒吸装置，且能一体化验证二氧化硫的漂白性、酸性和还原性。

2 铜与浓硫酸实验的新设计

2.1 实验装置

本实验定制了一个下端开口的具支试管作反应容器，如图4所示，使用该装置能方便地检验生成的Cu2+。

完整的实验装置如图5所示。

2.2 实验用品

实验仪器：定制的具支试管、硬质玻璃管、酒精灯、双联打气球、铁架台、漏斗、橡胶塞（2个）、T形塞（1个）、直角导管、100mL烧杯、火柴、镊子、胶头滴管

实验药品：铜丝（直径1mm，长约20cm）、市售浓硫酸（98%）、品红溶液、石蕊溶液、酸性高锰酸钾稀溶液、脱脂棉、饱和NaOH溶液、蒸馏水

2.3 实验步骤

（1）如图5所示连接好装置，并检查装置气密性。

（2）用胶头滴管吸取约4mL浓硫酸于定制试管中，在T形塞上面打两个孔，孔径分别为1mm和4mm（便于让铜丝和双联打气球穿过T形塞）。选择一段直径1mm、长约20cm的铜丝，下端绕成螺旋状，长约2.5cm，在铜丝上端涂上凡士林后穿过T形塞。同时将双联打气球穿过T形塞，并关闭双联打气球上的止水夹，最后用带有铜丝和打气球的T形塞塞住试管口。

（3）在硬质玻璃管左侧一端放置脱脂棉柱，然后分别用稀高锰酸钾溶液、紫色石蕊溶液、品红溶液将三个脱脂棉团润湿，用镊子将润湿后的三个脱脂棉团放在硬质玻璃右侧一端。

（4）将直角导管一端插入硬质玻璃管右端，另一端通过橡胶管与倒放的漏斗连接。漏斗口伸入NaOH浓溶液中。

（5）点燃酒精灯，加热浓硫酸至产生大量酸雾，将铜丝伸入浓硫酸中，不久后观察到浸有品红溶液的脱脂棉褪色，浸有石蕊溶液的脱脂棉由紫色变为红色，浸有酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉褪色。将铜丝抽离浓硫酸，停止加热。

（6）待试管中反应液冷却后，打开右侧下端玻璃塞，使反应后的混合液流入烧杯中的蒸馏水中，观察到烧杯中溶液变蓝。打开止水夹，用双联打气球向装置鼓气，使装置内残留的SO2被右侧烧杯中的NaOH浓溶液吸收。

（7）加热浸有品红溶液的脱脂棉，发现脱脂棉再次变为红色。

2.4 改进后实验装置的优点

（1）在铜丝上端涂凡士林，并用T形塞代替橡胶塞堵塞试管，能很好控制反应的停止与发生。

（2）定制一个下端开口的具支试管，反应完后打开玻璃塞使混合液流入烧杯蒸馏水中，可观察到明显的蓝色。

（3）选用浸有品红溶液、石蕊溶液、酸性高锰酸钾溶液的脱脂棉团，可大大减少药品用量。

（4）在浸有品红溶液的脱脂棉团前增加一段脱脂棉柱可避免浓硫酸酸雾与石蕊溶液发生显色反应。

（5）将铜与浓硫酸的反应与二氧化硫的性质检验在一套装置中进行。

（6）使用双联打气球向装置鼓风，可有效将装置中残留的SO2排尽。