浓硫酸与铜反应实验改进
作者： 岳倩 曾春梅
摘 要：针对现有教材中浓硫酸与铜反应实验装置的不足，如易倒吸、尾气未处理尽等进行改进：使用定制的双边具支试管作为该反应装置、性质检验装置以及净化装置，
用硅胶塞代替橡胶塞，铜丝可以轻松穿过。避免了橡胶塞打孔使气密性良好。换用棉团浸取试液，可减少药品用量且效果良好。改进后的装置能有效检验二氧化硫的还原性、酸性以及漂白性，具有现象明显、无污染、防止倒吸等优点。
关键词：浓硫酸与铜反应；实验改进；双边具支试管
文章编号：1005-6629（2024）09-0071-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 问题的提出
铜和浓硫酸的反应及实验在高中化学学习中占有重要地位，是认识浓硫酸的氧化性和酸性的重要载体。同时，作为二氧化硫的制备与性质检验实验，能够让学生进行关于有害气体的制备与检验的系统化学习。二氧化硫和硫酸作为硫的重要化合物所呈现出来的特殊性质，有助于学生深入认识化合价与物质性质之间的联系，从而掌握物质结构决定性质的本原知识。人教版教材（2019年版）必修二［1］中设置的铜与浓硫酸反应实验（如图1所示），存在些许不足：（1）铜丝和橡胶塞之间的摩擦力较大，不易抽拉铜丝，操作困难，容易损坏试管；（2）用一个浸有氢氧化钠溶液的棉团来吸收多余的二氧化硫是不严谨的，
因为产生的二氧化硫较多、较快，很容易逸出；（3）装置内残留的二氧化硫未处理，拆卸装置时也会逸出；
（4）没有设计防倒吸装置，停止加热时，品红溶液会倒吸进入反应试管中；（5）探究了二氧化硫的漂白性，但未进一步验证其漂白效果的不稳定性，而且二氧化硫的还原性也未检验，这些问题都会让学生感到疑惑。因此，笔者结合文献对
铜与浓硫酸反应的实验装置进行了再改进。
2 相关文献案例评析
基于图1实验装置的弊端，不少研究者对其进行了改进，在此不妨简单分析一下几类具有代表性的改进实验方案。
方案一［2］：利用洗耳球排出装置内残留的SO2；使用品红试纸和石蕊试纸检验SO2；使用80%的硫酸，使容易观察到蓝色硫酸铜溶液的生成；铜丝通过胶头滴管插入具支试管，减小了铜丝与胶帽之间的摩擦力。不足之处是：（1）将胶头滴管穿过橡胶塞的操作过于困难，且很难保证装置的气密性；（2）加热硫酸过程中会产生大量酸雾进入到双通管里，会使石蕊试纸变色，从而干扰SO2的酸性检验。
方案二［3］：通过条形磁铁吸引铁钉，能控制反应的进程，增加实验的趣味性；将球形干燥管伸入到氢氧化钠溶液中，可以充分吸收SO2，平衡气压，防止倒吸。不足之处是：（1）缺少检验SO2酸性的装置；（2）高温下，铁钉与浓硫酸酸雾接触也会反应；（3）条形磁铁需要全程用手控制，操作不便；（4）反应装置里残留的SO2未处理；（5）反应后的液体不易呈现明显的蓝色。
方案三［4］：使用Y形管实现了装置一体化；使用单向阀、双球安全漏斗等能除去残留的SO2和防倒吸。不足之处是：（1）不能控制反应的进程，在低温时发生较多副反应，生成黑色物质；（2）缺少SO2的酸性的检验。
本研究结合以上文献的改进思路，采用定制的双边具支试管作为反应、性质检验以及净化装置；连接双联打气球和气球，使整个装置呈封闭状态；使用脱脂棉团检验二氧化硫的相关性质，试剂用量少；利用注射器向试管内加入蒸馏水对产物进行检验，现象明显。
3 浓硫酸与铜反应实验改进
3.1 实验用品
实验仪器：双边具支试管（三只）、酒精灯、双联打气球、硅胶塞、气球、镊子、注射器（带针头）、酒精灯、铁架台、胶头滴管、火柴、橡胶管、试管
实验药品：铜丝、浓硫酸（98%）、品红溶液、酸性高锰酸钾溶液、甲基橙溶液、蒸馏水、饱和氢氧化钠溶液、脱脂棉
3.2 实验步骤及现象
（1） 完整的实验装置如图2所示。连接好实验装置，然后检验装置的气密性。方法为：用双联打气球向装置内鼓气，若看到右侧气球膨胀，则说明气密性良好。
（2） 用胶头滴管吸取约2mL浓硫酸于试管1中。
（3） 取一根长约18cm铜丝将下端拧成螺旋状，上端涂抹一点凡士林然后穿过硅胶塞，将其放在试管1上，此时调节好铜丝的高度，避免铜丝和浓硫酸接触。
（4） 取三团脱脂棉，分别浸润品红溶液、甲基橙溶液、酸性高锰酸钾溶液，然后将其依次放入试管2中，最后在试管2的支管口处放一团干燥的脱脂棉［5］。
（5） 用饱和氢氧化钠溶液浸润三团脱脂棉，然后将其放入试管3的支管口处，最后在试管3的另一个支管口套上气球。
（6） 点燃酒精灯，对浓硫酸进行加热至产生大量酸雾，向下推动铜丝，让铜与浓硫酸接触反应。此时观察到铜丝和浓硫酸剧烈反应，试管1中产生浓雾，铜丝表面产生大量气泡，试管底部有灰白色固体生成。试管2中酸性高锰酸钾棉团的颜色逐渐退去，最后变成无色；甲基橙棉团的颜色由橙色变成红色，随着反应进行，红色慢慢变深；品红棉团的红色渐渐变浅，最后退至无色。气球有些膨胀。
（7） 抽离铜丝，停止加热，反应结束。用酒精灯对试管2的品红棉团慢慢加热，观察到试管底部内壁附着的试液又变成红色，试液表面上有气泡产生，棉团也逐渐变红，说明二氧化硫漂白品红的不稳定性。待试管2冷却后，观察到品红棉团又退至无色，说明二氧化硫漂白的可逆性。
（8） 用注射器向试管1中加入蒸馏水，静置，发现上层清液呈浅蓝色，上下抽拉铜丝对溶液进行搅拌，灰白色固体部分溶解，上层液体蓝色加深。
（9） 用双联打气球向装置内鼓气，确保装置内二氧化硫被试管3的氢氧化钠脱脂棉团完全吸收。挤压气球，处理来不及被氢氧化钠棉团吸收就逸出到气球里的二氧化硫。
3.3 关于该实验的几点说明
（1） 脱脂棉团浸润甲基橙等溶液不宜全浸透，可以借镊子将面向观察者这一侧的棉团润湿，另一半保持干松，以便于透气。试管3中的脱脂棉团可以稍稍浸透烧碱溶液，但也要保持透气。
（2） 实验开始前，铜丝和浓硫酸之间间隔一定的距离，否则铜丝与酸雾反应，表面会生成黑色物质。实验开始时，应将浓硫酸加热至表面有大量白雾时，才将铜丝伸入到浓硫酸中，减少副反应的发生。
（3） 实验前须用砂纸对铜丝进行打磨，不然可能会观察到溶液变成绿色，这是因为厂家常在铜丝表面加一层聚氯乙烯覆膜，导致反应混合物中含有Cl-，在反应体系中形成［CuCl4］2-，与水合铜离子混合呈现绿色［6］。
3.4 实验改进后的优点
（1） 用质地柔软且弹力较好的硅胶塞代替橡胶塞，气密性较好，在铜丝上涂抹凡士林，能够较好地抽拉铜丝控制反应的发生与停止。
（2） 增加了浸润饱和氢氧化钠溶液的棉团数量，能有效吸收多余的二氧化硫同时可以防止倒吸。用棉团分别浸润品红等溶液验证二氧化硫的性质，实验药品用量较少但现象却很明显。
（3） 使用双联打气球能够有效排尽装置内残留的SO2，避免污染空气。
（4） 在装置结尾处连接一个气球，通过气球的膨胀程度，可以实时监测装置的气密性。
（5） 利用注射器向试管1中添加蒸馏水，操作简单，不但可以看到溶液变成蓝色，搅拌之后还能观察到固体物质的溶解情况，从而判断白色固体是无水硫酸铜。
（6） 以甲基橙溶液作为指示剂，证明了二氧化硫溶液溶于水后呈酸性，还加强了学生对酸碱指示剂的认识。
参考文献：
［1］王晶，郑长龙主编．普通高中教科书·化学（必修）第二册［M］．北京：人民教育出版社，2019：5．
［2］李文杰.浓硫酸与铜反应实验的改进［J］.化学教学，2019，（7）：63～65.
［3］魏崇启.浓硫酸与铜反应实验的创新改进［J］.化学教学，2012，（9）：47～49.
［4］张红卫.浓硫酸与铜反应实验的改进［J］.化学教学，2020，（1）：67～69.
［5］张苗，万鑫洁，彭新月.铜与浓硫酸反应装置的新设计［J］.化学教学，2023，（11）：65～68.
［6］王春.铜与浓硫酸反应实验异常现象的探究及装置的新设计［J］.化学教学，2020，（11）：76～79.