浓硫酸与铜反应的实验改进实验报告

浓硫酸与铜反应的实验改进
长武中学陈宝凤
【问题的提出】
在研究浓H2SO4的化学性质时，Cu与浓H2SO4的反应是用来说明浓H2SO4具有很强的氧化性的一个典型反应，为使学生能全面理解并掌握这一重要化学反应，在教材中设计了有关铜和浓硫酸发生反应的演示实验。

人教版教材必修一中的实验装置图为：
但若按教材中所提供的装置进行实验，很难得到预期的实验现象，在实验过程中过多的浪费药品，而且会产生大量的有毒气体污染环境，尾气处理得不够充分.人教版标准实验教科书中针对以上弊端作了如下改进：用长铜丝代替铜片，在胶塞一侧挖一个凹槽，使铜丝从凹槽处伸出，反应结束后，将铜丝抽出液面，反应即停止。

但是，在实际操作时发现，在胶塞上挖凹槽大小不好把握，铜丝质地软，穿过胶塞后导致气密性不好，导出的气体不足，品红褪色现象不明显。

.因此，我们应该从实验装置入手，在原有的基础上对实验进行必要的改进。

【实验目的】
1.认识浓硫酸与铜的反应，进一步了解SO2的性质。

2.学会发现问题，提出问题，进而学会运用学过的化学知识设计实验方案，从实验中学会得出结论解决问题。

3.培养思考能力和动手能力，体会设计实验以及验证实验的乐趣。

【实验原理】
铜与浓硫酸之间反应的化学方程式如下：
2H2SO4（浓）+Cu===CuSO4+2H2O+SO2↑
Cu与浓H2SO4反应生成SO2说明浓H2SO4具有很强的氧化性，而产生的SO2具有漂白性，同时SO2也是一种酸性气体，在实验中可以用品红试纸验证SO2具有漂白性，用蓝色石蕊试纸验证SO2是一种酸性气体。

【实验装置图】
(说明)将5ml的注射器插入胶塞。

在注射器的柱塞末端系上一段细铜丝，并在细铜丝的另一端系上一段螺旋状的粗铜丝，用于反应。

【实验步骤】
1.用具支试管代替大试管，由支管导出气体。

取适量浓硫酸加入到
具支试管中，用量不超过试管体积的三分之一（约10ml）；
2.胶塞选用单孔胶塞，将5ml的注射器插入胶塞。

3.在注射器的柱塞末端系上一段细铜丝，并在细铜丝的另一端系上一段螺旋状的粗铜丝，用于反应。

4.反应时，推动注射器柱塞使粗铜丝浸入液面，发生反应。

5.反应结束后，拉出注射器柱塞，使铜丝与液体分离，反应即停止。

6.在硬质玻璃管中分别放上湿润的品红试纸、湿润的石蕊试纸，在烧
杯中加入适量饱和NaOH溶液；
7. 如图组装好装置后，用酒精灯加热浓硫酸
8待反应结束后，使大试管中浓硫酸与金属铜片发生脱离，移去酒精灯，加热硬质玻璃管，观察试纸颜色的变化；
【实验现象】
1.加热浓硫酸时产生大量白雾，直形玻璃管处有水珠生成
2.硬质玻璃管中品红试纸由红色变为无色，蓝色石蕊试纸变为红色
3.加热结束之后具支试管内液体变为浅绿色，试管底部有灰色粉末
状沉淀。

铜丝末端有少量黑色固体。

4.酒精灯加热硬质玻璃管时品红试纸无色恢复红色，红色石蕊试纸
不变色
5.具支试管冷却之后将试管内液体和沉淀倒入水中，得到蓝色溶液，
并且有少量灰色不溶物。

【问题讨论】
1.实验方案不成熟之处：
①在本次实验中，我们小组最开始的
设计方案是垂直加热的，装置图如下：
但是在实验中却发生了试管破裂，浓
硫酸洒出的事故，这也是我们意料之
外的，我们对待此次事故的处理方法
是先用干抹布擦拭桌面和酒精灯，在
用大量的水冲洗抹布。

而试管破裂的原因是垂直加热试管，虽然之前有做预热的处理，但是垂直加热时浓硫酸的受热面积变小，温度集中于某一区域，而其他区域的温度较低，从而导致受热不均匀，试管最终破裂，浓硫酸洒出，因此，在设计方案时必须思考每一个步骤，每一个操作。

②在实验中我们原本的方案是先加热微沸浓硫酸之后才使铜丝与浓硫酸接触，但是在实验过程中我们发现要实现这一步骤比较困难，首先推入铜丝的时候会导致试管不稳，难以控制，另外我们发现在反应时会产生大量白雾，因此无法判断在煮沸浓硫酸之后才加入铜丝与一开始就加入铜丝两者的区别，因此我们决定还是采用一开始就把铜丝加到浓硫酸中再开始加热。

但是一些文献有介绍到如果煮沸浓硫酸之后再加入铜丝的话那么副产物会比较少。

2.实验现象的分析
新教材关于铜与浓硫酸反应的实验现象是这样叙述的：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Cu2+。

但是经过实验，我们发现在实验过程中，铜与浓硫酸的反应现象并不是教材中描述的那样。

①加热浓硫酸时产生大量白雾
在实验中这种白雾其实是一种酸雾，反应生成了SO2和H2O，这两种生成物在具支试管中发生反应：SO2+H2O == H2SO3白雾是H2SO3。

也有可能是浓硫酸在加热时蒸发了水，浓硫酸的浓度不断变高，最终产生了SO3。

②硬质玻璃管中品红试纸由红色变为无色，蓝色石蕊试纸变为红色
品红试纸由红色变为无色，说明SO2具有漂白性，可以使品红溶液褪色；而蓝色石蕊试纸变为红色说明SO2是一种酸性气体。

③加热结束之后具支试管内液体变为浅绿色
在本次实验中，浓硫酸是过量的，实验停止加热之后试管内溶液颜色为浅绿色，而不是蓝色，这是因为浓硫酸具有吸水作用，可以吸收部分生成的水，形成水合硫酸分子，而当温度比较高时，水合硫酸分子离解，产生一定数量的自由水分子，这些自由水分子便与铜离子络合为四水络铜离子，反应方程式为：Cu2++4H20 [Cu（H20）4]2+ 但是当试管冷却时，温度下降，硫酸分子吸附水分子的能力增强，使上述络合平衡向左移动，溶液颜色变浅，甚至是无色。

④试管底部有灰色粉末状沉淀，铜丝末端有少量黑色固体
在实验中我们发现试管底部有灰色粉末状沉淀，铜丝末端有少量黑色固体，这些固体有可能是副产物，可能是浓硫酸的氧化性氧化了铜，但具体这些沉淀还有黑色固体是什么，有可能是氧化铜或者是硫化铜，还需要进一步的检验。

在实验中我们把附着有黑色固体的铜丝浸没到稀硫酸之中，但是由于黑色固体的量比较少，附着在表面上我们又没有办法加快反应数速率，因此看不出黑色固体有明显变化，这有可能是黑色固体的量的问题，所以我们无法下结论说黑色固体是氧化铜还是硫化铜或者是两者都有。

⑤热硬质玻璃管时品红试纸有无色恢复到红色
这个实验现象说明SO2的漂白性是可逆的，SO2的漂白原理是SO2与水反应生成的H2SO3跟有机色素结合成了不稳定的无色化合物，该化合物见光、遇热或长久放置又能恢复为原来的颜色。

所以加热时可以看到品红试纸有无色恢复到红色
3.黑色固体的成分检验
通过查找文献[3]，在别人研究反应之后的黑色固体成分时，他们所得出的结论是：浓硫酸在与铜反应的过程中，随着温度的升高，氧化能力不断增强，由于氧化能力的不同，铜被氧化的产物各有不同: 先产生氧化物，进而产生硫化物，达到沸点时氧化能力最强，铜直接被氧化为CuSO4，在此温度下，前面产生的中间物质黑色沉淀，亦能继续被氧化为白色的CuSO4。

涉及到的反应方程式如下：
4.实验改进的优点
与教材必修一中的实验装置相比，我们改进之后的实验方案有以
下几个明显的优点：
①反应可控性强，可根据需要随时开始或停止反应，避免了药品的
浪费和环境污染；
②用品红试纸和石蕊试纸代替相应的溶液，反应见效快，缩短实验时间，也使产生的二氧化硫气体大大减少；
③本实验还可以通过加热硬质玻璃管使试纸恢复到原先的颜色，可进
一步探讨二氧化硫的氧化机理；
④本实验采用的装置还增加了尾气吸收装置，防止二氧化硫逸散到空
气中造成污染。

6.探究性实验方案
我们知道铜与浓硫酸再加热条件下可以发生反应，但是如何寻求
反应的最佳条件，浓硫酸和铜之间的用量比是多少最有利于反应的发
生这也是我们应该考虑的问题，可以通过控制变量法设计如下方案，
表1 铜片质量对实验的影响
98%浓硫酸铜片质量开始加热至气体停止加热后实验
通过表1的实验记录，我们可以分析得出铜片的质量与实验异常现象的产生之间的关系，从而得出最好的实验条件。

表2 浓硫酸体积对实验的影响
通过表2的实验记录，我们可以分析得出浓硫酸体积与实验异常现象的产生之间的关系，从而得出最好的实验条件。

【结论】
本次实验还是比较成功的，通过实验，我们的大部分的设计都没有问题，只是在一部分细节上考虑不周到。

我们成功地把铜与浓硫酸的反应以及验证二氧化硫的性质结合在同一个实验之中，避免了教材
中实验装置的缺点以及不足，同时可以让学生发挥创造性，加深对SO2性质的理解。

【参考文献】
[1] 李积双. 铜与浓硫酸反应实验现象探究[J].化学教育.199,3:30
[2] 胡苗，陈贝，胡超凯. 铜与浓硫酸共热反应实验变黑现象的探究[J]. 研究性学习探索.2005,7:45
[3] 李先栓. 浓硫酸与铜反应黑色沉淀为何物的实验设计[J]. 实验设计与技术.2007,3:30-31
[4] 胡效忠.铜和浓硫酸反应实验现象的探究与分析[J]. 课堂·实验2010,4:58
[5] 戴明.浓硫酸与铜反应的实验改进[J]. 实验教学与仪器.2006,1:19
[6] 陈文兴，王敏，罗宿星. 铜与浓硫酸反应的实验探索[J]. 遵义师范学院学报.2010,12(1):111-113
[7]王春.铜与浓硫酸反应的实验探究与改进[J]. 化学教育.2009,10:58-59
[8]人民教育出版社.化学必修1.2007年3月第3版。