铜与浓硫酸反应实验方案的新设计

陈海涛

摘要：针对铜与浓硫酸反应实验存在的不足，提出一套新的改进方案。在试管外用磁铁吸引试管内的封铁玻璃管，带动绕成螺旋状的铜丝沿着试管内壁上下滑动，可使铜和浓硫酸分离或接触，及时控制该反应的停止或发生。新改进的实验仪器装置简单、操作方便、节约药品、安全环保。

关键词：铜与浓硫酸；控制反应；实验改进

文章编号：1005–6629（2015）10–0065–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

铜与浓硫酸反应是高中化学的重要演示实验之一。新课程3个版本的化学教科书对铜与浓硫酸反应的实验进行了不同的设计，但在实际操作中仍有若干不足之处。下面先对教科书以及文献中的某些改进实验作一简要分析。

1.1 新课程教科书中选用的铜与浓硫酸反应实验

1.1.1 苏教版教材[1]

（1）在观察到品红溶液褪色后，不能立刻使铜片和浓硫酸分离而使反应停止。

（2）为了防止倒吸，必须先把导管从品红溶液中取出后再停止加热，由于此时铜与浓硫酸接触仍然在发生反应，产生的二氧化硫直接扩散到空气中污染空气，影响师生身体健康。

（3）试管和导管里充满了二氧化硫，检验铜片和浓硫酸反应的产物硫酸铜时，打开单孔塞后，二氧化硫直接扩散到空气中污染空气，影响师生身体健康。

1.1.2 上科版教材[2]

没有加热装置，该反应非常缓慢，所需时间太长，不适合做课堂演示实验。

1.1.3 人教版教材[3]

（1）铜丝从胶塞侧面挖的凹槽进入试管，由于摩擦很大，若铜丝细则会拉断，若铜丝粗则有时会拉掉胶塞，实际操作中非常不便。

（2）缺少尾气吸收装置，产生的二氧化硫直接扩散到空气中污染空气，影响师生身体健康。

（3）试管和导管里充满了二氧化硫，检验铜片和浓硫酸反应的产物硫酸铜时，打开单孔塞后二氧化硫直接扩散到空气中污染空气，影响师生身体健康。

1.2 部分文献中介绍的改进方案

文献上介绍的一些改进方案有各自的优点和不足[4～7]。

（1）图4所示实验装置，硅酮胶固化所需时间长，制作不方便。硅酮胶和塑料管都不耐热，很难第二次使用。塑料管很软，插入胶塞中又不漏气很难办到。蘸有氢氧化钠溶液的棉球中氢氧化钠溶液量不好控制，氢氧化钠溶液少则吸收二氧化硫效果不好，氢氧化钠溶液多会流入品红溶液中与通入的二氧化硫反应影响实验。

（2）图5所示实验装置，可以防止倒吸，能减少试管和导管中残留的二氧化硫气体，但无法实现铜片和浓硫酸分离而使反应停止。

（3）图6所示实验装置，能实现铜与浓硫酸的分离而使反应停止，也解决了防倒吸问题和装置中残留二氧化硫的问题，但将铜丝抽离浓硫酸时不够方便。

（4）图7所示实验装置，用磁铁吸引铁钉带动铜丝实现了铜丝和浓硫酸的分离或接触，从而实现该反应的停止或发生。解决了防倒吸问题，但仍有不足：①条形磁铁太大，不能贴附在试管外壁，始终用手拿着吸引铁钉，操作时不方便。②加热时浓硫酸沸腾会接触到裸露的铁钉干扰实验。③没能解决装置中残留的二氧化硫问题。

通过上述对新课程不同版本的教科书以及某些文献中铜与浓硫酸反应改进实验的比较分析，笔者经过反复实验和不断改进，吸收优点，弥补不足，提出了比较理想的改进方案：使用封铁玻璃管，可避免铁与浓硫酸接触反应；使用从包装盒上拆下的质量小、磁性强的小磁铁，能吸引绕着铜丝的封铁玻璃管停留在试管内壁的任意位置，随意控制该反应的发生或停止。

2 实验原理

2.1 及时控制反应的发生与停止

在试管外用小磁铁吸引试管内的封铁玻璃管，带动绕成螺旋状的铜丝沿着试管内壁上下滑动，实现了铜和浓硫酸的分离或接触，从而控制该反应的停止或发生。小磁铁和封铁玻璃管的质量都很小，但两者间的引力却相对较大。在两者之间的引力及两者与试管壁摩擦力的作用下，可使绕着铜丝的封铁玻璃管停留在试管内壁的任意位置，即可以随意控制该反应的发生或停止。将铁丝密封在小玻璃管内是为了防止铁与浓硫酸接触反应。用酒精喷灯加热胶头滴管的玻璃管就能很容易将铁丝封装在玻璃管中。实验中小磁铁的来源，可以提前发动学生收集某些包装盒上的小磁铁或废旧耳机上的磁铁。小磁铁直径10～20mm，厚度1～3mm较合适。如果收集到的磁铁直径小，可以几个叠在一起使用。

2.2 防止倒吸和污染

观察到品红溶液褪色后，向试管口方向滑动小磁铁，使铜和浓硫酸分离而使反应停止。用气球打气筒向盛有浓硫酸的试管中打气，不仅可以防止倒吸，还可以使试管和导管里残留的二氧化硫在空气的驱动下导入氢氧化钠溶液中被吸收以防止污染空气。

3 实验器材和药品

（1）器材：带铁夹的铁架台（三个）、大试管（三支）、酒精灯或酒精喷灯、双孔塞（两个）、橡胶管（两个短的、一个长的）、气球打气筒、小磁铁（礼品盒或废旧耳机拆下的）、铁丝或去掉钉帽的铁钉（直径3～5mm，长约30mm较合适）、胶头滴管。

（2）药品：浓硫酸、铜丝、品红溶液、氢氧化钠溶液。

（3）制作封铁玻璃管：把胶头滴管去掉胶头，作为玻璃管用（或直接用细玻璃管）。取直径3～5mm，长约30mm的铁丝，放在玻璃管内靠近较细端。用两把镊子分别夹住玻璃管的两端，在酒精灯或酒精喷灯上先预热，再左右移动加热铁丝部位的玻璃管。当玻璃管变软后拉伸，先使细端封好，再烧圆。用镊子侧面较平整部位趁热压一下烧圆的端头，就会使端头变粗，形成一个玻璃疙瘩，便于缠绕铜丝，以免铜丝滑落。再继续加热铁丝部位的玻璃管中间部位和另一端，变软后拉伸，先使另一端封好，再烧圆，用镊子侧面较平整部位压一下，也形成一个玻璃疙瘩。到此，铁丝就被密封在玻璃管内了，而且两端都有小玻璃疙瘩，就像一个小哑铃，铜丝缠绕其上就不易脱落。由于玻璃加热到一定温度有变软且粘稠的特性，故特别容易加工。

4 实验装置图

如图8所示。

5 实验操作步骤

（1）如图8连接好实验装置，检查并确保装置的气密性。

（2）分别向三支大试管中加入5mL 98%的浓硫酸、品红溶液、浓氢氧化钠溶液，用铁夹夹好。

（3）截取一段约30cm的铜丝，缠绕在封铁玻璃管上。将封铁玻璃管沿大试管内壁滑入大试管内，在大试管外用小磁铁吸引，调整铜丝位置在试管中上部。

（4）用酒精灯先预热再集中在盛浓硫酸试管底部加热至沸腾。

（5）拿掉小磁铁，封铁玻璃管沿大试管内壁滑入大试管底部，铜丝与浓硫酸反应。

（6）品红溶液褪色后，用小磁铁吸引，并且沿着试管外壁向管口方向滑动，使绕成螺旋状的铜丝与浓硫酸分开，反应停止。

（7）用气球打气筒打气。将装置内残留的二氧化硫气体排出到氢氧化钠溶液中被吸收，熄灭酒精灯，再打气几次。

（8）待盛浓硫酸的大试管冷却后，把试管里的部分液体慢慢倒入盛有少量水的另一支试管里，观察溶液颜色。

6 实验改进后的优点

（1）在试管外用小磁铁吸引试管内的封铁玻璃管，能够及时控制该反应的发生或停止。小磁铁和封铁玻璃管能够停留在试管壁的任意位置，操作非常方便。

（2）实验器材简单易得，封铁玻璃管易于加工，实验原理简单，学生容易理解和接受。

（3）小磁铁和封铁玻璃管在实验中不易损坏。该装置可以反复使用，下次实验只需添加铜丝，更换药品，连续几个班级演示实验都不成问题。

（4）用气球打气筒向盛有浓硫酸的试管中打气，不仅可以防止倒吸，还可以使试管和导管里残留的二氧化硫气体在空气的驱动下进入氢氧化钠溶液中被吸收，并且加快了试管内液体混合物的冷却速度，缩短了演示实验的时间。

（5）整个实验过程中气密性较好，二氧化硫逸出到空气中的量很少，不会影响师生的身体健康，不污染环境。

（6）发动学生收集实验中使用的小磁铁和气球打气筒，使学生能够参与到实验准备活动当中，能较好地激发学生的学习兴趣和主观能动性。

参考文献：

[1]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M].南京：江苏教育出版社，2014：92.

[2]黄金国主编.高级中学课本《化学》高中一年级第二学期（试用本）[M].上海：上海科学技术出版社，2009：15.

[3]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2010：101.

[4]伍强等.浓硫酸与铜反应实验的绿色化改进[J].化学教学，2014，（4）：49～50.

[5]吕续河等.浓硫酸与铜反应实验的再改进[J].化学教学，2014，（7）：64～65.

[6]何自航等.铜与浓硫酸反应实验的改进[J].化学教学，2012，（3）：49～50.

[7]魏崇启.浓硫酸与铜反应实验的创新改进[J].化学教学，2012，（9）：47～48.