浓硫酸与铜反应的实验现象与理论探讨

浓硫酸与铜反应的实验现象与理论探讨

【摘要】铜与浓硫酸共热量不同现象不同。教材描述简单，易引起学生疑问。经理论分析和实验说明铜与浓硫酸反应复杂性。

【关键词】铜浓硫酸现象

一、铜与浓硫酸共热

1.药品：NaOH溶液铜浓硫酸石蕊试液品红溶液KMnO4

3.实验现象：

教材描述：“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Cu2+”。实验现象分两种：①浓硫酸过量。铜与冷的浓硫酸不反应，随温度升高铜丝表面变黑、产生气泡、细小黑色颗粒状物从铜丝表面进入浓硫酸，形成黑色悬浊液。温度升至沸腾，黑色颗粒物与浓硫酸反应，转变成细小灰白色的颗粒物，随浓硫酸翻滚。同时有大量白色烟雾，部分烟雾在管壁上部冷凝成淡黄色固体。保持浓硫酸沸腾，淡黄色固体消失。导气管导出的气体使石蕊试液变红、品红溶液和KMnO4溶液褪色。铜全部反应，停止加热静置，管内烟雾慢慢消失，管中液体浅蓝色，管底沉积物灰白色。冷却，溶液颜色变浅，至室温几乎无色。将此液注入盛有少量水的试管，得浅蓝色溶液。再向有残留物的试管加少量蒸馏水，得蓝色溶液，管底部未溶物上层蓝色，下层仍灰白色（久置变蓝色）。②铜过量。将一端螺旋状铜丝浸入浓硫酸，另一端在液面上方。开始现象与前者相同。随着反应的进行，试管和长导气管内壁有少量淡黄色固体。液面上方铜丝渐变黑。待硫酸全部反应，试管里的物质变为灰黑色的固体。取出试管中液面上变黑的铜丝，分别置于一定量浓硫酸和稀硫酸的试管中，震荡，铜丝表面的黑色物质不溶。若将铜丝在空气中加热变黑，分别置于浓硫酸和稀硫酸的试管中，振荡，发现稀硫酸中的铜表面的黑色物质全部溶解，露出光亮的铜；浓硫酸中的铜表面的黑色物质部分溶解。

二、问题的提出

1.为什么硫酸与铜共热时先产生黑色物质后变成灰白色物质?

2.为什么有大量白色烟雾及淡黄色固体慢慢消失？

3.为什么铜过量时试管中露置铜丝变黑？

三、理论分析

问题1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。Cu+H2SO4（浓）=CuO+SO2↑+H2O CuO+ H2SO4（浓）=CuSO4+H2O同时伴有一些副反应，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产生的黑色物质是CuO、Cu2S、CuS等，灰白色物质是未溶解于浓硫酸中的CuSO4。问题2原因：由于反应液处于沸腾状态（浓硫酸的沸点温度为338℃），反应中生成的水及一定量的硫酸变成蒸气，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。问题3原因：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，也不是被酸雾氧化为氧化铜。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）。因此，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。

四、结论

铜与浓硫酸共热量不同，反应现象不同。浓硫酸过量，主要现象有：铜表面先变黑，形成黑色浊液，渐变为白色浊液。铜全部反应，静置，灰白色物沉试管底，得淡蓝色溶液，至室温呈无色。反应中伴有白色烟雾，淡黄色物冷凝在管壁。铜过量，最终得灰白色物。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。

参考文献：

[1]刘越.化学理论课探究式教学的研究[J].中学化学教学参考.2007 (9).

[2]卜周等.高中化学疑难解析[M].湖南人民出版社.1982.