铜与浓硫酸共热的反应及现象

铜与浓硫酸共热的反应及现象

【摘要】铜与浓硫酸共热反应因两者的量不同，反应时的最终现象不同。若浓硫酸过量

时，主要现象有：铜表面先变黑，形成黑色浊液，随后又变成白色浊液。铜全部反应完后，静置，灰白色物质沉于管底，所得溶液呈淡蓝色，冷却至室温呈无色。反应中还伴有白色烟雾，并有淡黄色物质冷凝在管壁。若铜过量，最终得灰白色固体物质。由此说明铜与浓硫酸共热的反应是很复杂的，且反应后所得溶液颜色随温度变化而变化。

【关键词】铜；浓硫酸；共热反应；现象；原因

高一新教材关于铜与浓硫酸反应的实验描述是这样的：“实验表明，浓硫酸与铜在加热时能发生反应，放出能使紫色石蕊试液变红或使品红溶液褪色的气体，反应后生成物的水溶液显蓝色。说明铜与浓硫酸反应时被氧化为二价铜离子”。

然而该实验的现象这么简单，且实验有两种情况：

一种情况是浓硫酸过量。用下列“实验装置图1”（固定仪器和加热酒精灯均未画出）来完成此实验。其实验现象有（按实验进程）：铜与冷的浓硫酸不发生反应，加热时随浓硫酸温度升高铜丝（或铜片）表面变黑，产生气泡，细小黑色颗粒状物质从铜丝（或铜片）表面进入浓硫酸中，形成黑色的悬浊液。随着加热温度继续升高（至沸腾），黑色颗粒状物质与浓硫酸反应，转变成细小灰白色的颗粒状物质，随浓硫酸一起翻滚。在此过程中试管里还产生了大量的白色烟雾，起初部分烟雾在试管上部内壁冷凝析出淡黄色固体物质。在持续加热浓硫酸（沸腾）时，淡黄色固体物质有慢慢消失了。此间导气管出的气体分别使紫色石蕊试液变红，使品红溶液和KMnO4溶液褪色。当铜全部反应后，停止加热静置时，试管内的烟雾也随之慢慢消失了，试管中的液体呈浅蓝色，管底沉积的固体物质呈灰白色。继续冷却试管时，溶液颜色慢慢变浅，至室温时几乎无色。将此无色溶液注入盛有少量水的试管中，所得溶液变为浅蓝色。再向残留有灰白色固体的试管中滴加少量蒸馏水时，所得溶液呈蓝色，试管底部未溶固体的上层部分呈蓝色，下层仍为灰白色（久置时可变为蓝色）。

另一种情况是铜过量。用“实验装置图2”（固定仪器和加热酒精灯均未画出）完成此实验。为了便于观察有关反应现象和验证产物，将细铜丝一端卷成螺旋状没入浓硫酸中，另一端露置在液面上方（如图2所示）。长玻璃导管是让挥发的浓硫酸和水冷凝回流。开始加热反应时的现象与前者相同。随着反应的不断进行，试管和长导气管内壁有少量淡黄色固体物质凝聚。露置于试管液面上方的光亮铜丝逐渐变黑。一会儿后试管里的硫酸全部反应完，试管里的物质变为灰黑色的固体。取出试管中原来露置液面上变黑的铜丝，将其分别置于盛有一定量的浓硫酸和稀硫酸的两支试管中，震荡，铜丝表面的黑色物质不溶。若将光亮的铜丝

在空气中加热变黑后，再分别置于盛有浓硫酸和稀硫酸的两支试管中时，震荡，发现置于稀硫酸中的铜表面的黑色物质全部溶解，光亮的铜露出；浓硫酸中的铜表面的黑色物质只有部分溶解。

从上述实验现象来看，教材中的描述的实验现象是过于简单，容易引起学生形成一些模糊认识。是此教者在教学中可做对比实验，并示其学生掌握知识的情况作适当的分析交代，一是澄清学生中产生的模糊认识，使之准确理解；二是供一部分学有余力的学生和兴趣爱好者在课外进行研究性学习。

有关实验现象分析如下：

1.硫酸于铜共热时溶液中先产生黑色物质后变成灰白色物质的原因

浓硫酸与铜共热反应是分步进行的，铜先被浓硫酸氧化为黑色的氧化铜，氧化铜再与硫酸反应生成硫酸铜，这是反应过程中的主要化学反应，其反应的方程式为：

Cu+H2SO4(浓)=△=CuO+SO2↑+H2O

CuO+H2SO4(浓)=△=CuSO4+H2O

该过程的净化反应可表示为：

Cu+H2SO4(浓)=△=CuSO4+SO2↑+2H2O

同时反应过程中还伴有一些副反应，如生成有CuS、Cu2S等黑色物质，随着反应的进行，这些物质又被浓硫酸氧化生成硫酸铜、二氧化硫、硫等物质。其副反应有：

5Cu+4H2SO4(浓)=△=3CuSO4+Cu2S+4H2O

Cu2S+2H2SO4(浓)=△=CuSO4+CuS+SO2↑+2H2O

CuS+2H2SO4(浓)=△=CuSO4+SO2↑+S+2H2O

S+2H2SO4(浓)=△=3SO2↑+2H2O

反应过程中产生的黑色物质是CuO、Cu2S、CuS等，后来转变为灰白色物质是未溶解于浓硫酸中的CuSO4。

2.产生大量白色烟雾及凝聚的淡黄色固体物质慢慢消失的原因

由于反应溶液处于沸腾状态（浓硫酸的沸点温度为338℃），反应中生成的水及一定量的硫酸蒸气，因而在试管上方形成了硫酸的酸雾。浓硫酸与铜共热时的副反应中生成的硫在此温度下有一部分变成了硫蒸气从溶液中逸出，硫蒸气先被冷凝成淡黄色固体附着在试管内壁上。随着试管内温度的逐渐升高，硫酸蒸气将凝聚的硫氧化为二氧化硫而慢慢消失。其反应的方程式为：

S+2H2SO4(浓)=△=3SO2↑+2H2O

3.“实验装置图2”试管中露置铜丝变黑的原因

“实验装置图2”试管中露置铜丝变黑，既不是被试管中空气里的氧气氧化为氧化铜，也不是被挥发的硫酸蒸气氧化为氧化铜。因实验证明氧化铜能溶于浓硫酸或稀硫酸中（酸雾冷凝的硫酸溶液比浓硫酸的浓度小，氧化铜能溶解其中）。是此，该黑色物质是产生的硫蒸气与铜反应生成的硫化亚铜。其反应方程式为：

S(蒸气)+2Cu=△=Cu2S

实验证明该黑色物质既不溶于冷的浓硫酸又不溶于稀硫酸，这正是硫化亚铜的性质（硫化亚铜只能被处在高温状态的浓硫酸氧化）。

摘自《现代教育科学：教学研究》2012年第12期 141页