基于数字化的浓硫酸与铜反应装置一体化改进

江西师范大学化学化工学院(330022) 李艳华 黎泓波 盛寿日

上饶师范学院化学化工学院(334000) 张小兰

1 问题提出

浓硫酸与铜反应在高中化学实验教学中占有重要的一席之地，它是验证浓硫酸具有强氧化性的一个经典实验。此实验在人教版新旧教材中有着不同的呈现。

1.1 人教版旧教材

人教版旧教材中有关浓硫酸与铜反应的实验装置图如图1所示，该实验设计主要是将下端卷成螺丝状的铜丝插入到胶塞侧面，通过上下拉动铜丝来控制反应的发生与终止；用品红溶液来检验SO2的生成，以及将反应后的溶液倒入另一支装有水的试管中来用于另一产物CuSO4的检验。实验装置简单，易于在中学课堂开展，但存在以下不足之处：①铜丝上下抽动的活动性与装置的气密性很难达到两全；②只有SO2检验装置，缺少SO2尾气处理装置；③检验产物CuSO4需要将活塞打开，此时SO2会外逸，不符合绿色化学理念。

图1 人教版旧教材装置图

1.2 人教版新教材

人教版新教材在旧版本教材的基础上，对实验装置进行了进一步地改进(装置图见图2)。新增一支装有紫色石蕊溶液的试管，可以用于证明SO2溶于水显酸性这一性质，并且在试管口还放有浸NaOH溶液的棉团，可以吸收SO2防止其逸出污染空气。尽管新教材对此实验进行了改进，但依然存在与旧教材相同或相似的不足：新教材依旧采用在导管橡胶塞侧面挖凹槽，将下端卷成螺旋状的铜丝嵌入，通过上下抽动铜丝来控制反应的做法。针对此做法，若铜丝与橡胶塞之间摩擦过小，铜丝不易抽动；若过大，装置气密性无法得到保证，SO2容易逸出。此外，另一产物硫酸铜的检验还是要通过拔出橡胶塞将溶液倒入水中，SO2飘入空气中无可避免。

图2 人教版新教材装置图

2 研究现状

针对上述人教版新旧版本教材中浓硫酸与铜反应实验装置的不足，一些学者对该实验从不同角度进行了改进。

张义、王强在《“铜与浓硫酸反应”实验装置的再改》中在分析了人教版高中化学教材中浓硫酸与铜反应的实验装置不足的基础上，从绿色环保理念对装置进行了改进(见图3)。该实验装置利用注射器来控制反应，药品用量少，实现了一体化流程。但是依然存在以下不足：将铜丝固定在注射器活塞上的橡胶这一步操作复杂，无法预测是否牢固可行；将温水注入含有浓硫酸的反应液中不符合浓硫酸稀释操作原则，容易产生危险；反应装置中有残留二氧化硫气体无法完全除去。

图3 实验装置改进1

马园、严文法在《再探铜与浓硫酸反应实验的改进》中基于人教版教材的实验装置，在其他研究者的基础上提出了新的改进方案(见图4)。该实验装置在铜丝下端挂一块铜片，铜丝穿过玻璃导管并在上端用气球封口，通过抽动铜丝来控制铜片与浓硫酸的接触，从而达到控制反应发生与终止的目的，此外，还可通过打开止水夹来处理倒吸问题。但反应结束后装置内二氧化硫气体无法全部吸收，会造成环境的污染，针对反应另一产物硫酸铜也没有进行检验。

图4 实验装置改进2

张红卫在《浓硫酸与铜反应实验的改进》中比对了现行三套教材中浓硫酸与铜反应的实验装置图，针对教材实验与文献改进装置中的不足，提出了新的装置改进方案(见图5)。该方案以Y型管作为反应发生装置，用针筒注水并用双联打气球打气来将实验装置内二氧化硫气体赶入装有饱和氢氧化钠溶液的双球漏斗内吸收，集成度高，绿色环保。但反应发生器Y型管在中学并不常见，获取不易；直接将铜丝消耗殆尽也不利于控制反应的终止，此外，也无法确保装置内二氧化硫气体完全被吸收。

图5 实验装置改进3

综上所述，基于人教版新旧教材中有关浓硫酸与铜反应的不足，在分析对比文献的基础上，笔者提出了一套新的改进方案。以三颈烧瓶作为反应的发生装置，通过磁铁吸引绕有铜丝的磁子来控制反应发生与终止，并以二氧化硫传感器代替品红溶液来作为产物二氧化硫气体的检验以及反应完成后监测二氧化硫气体的吸收。新改进的实验装置在操作简单、绿色环保的基础上融入现代化设备，将定性实验量化，还实现了SO2制备与性质检验一体化。

3 实验改进方案

3.1 实验用品

实验仪器:带铁圈与铁夹的铁架台、酒精灯、三颈烧瓶、烧杯、大试管、普通玻璃导管(长短)、带活塞的玻璃长导管、三通管、镊子、微型试验盒、橡胶塞、橡皮管、止水夹、单向阀、玻璃针筒、洗耳球、三角漏斗、SO2传感器、磁子、铜丝、磁铁。

实验药品：浓硫酸、饱和氢氧化钠溶液、品红溶液、石蕊溶液、酸性高锰酸钾溶液、Na2S溶液、蒸馏水。

3.2 实验装置图

新改进的实验装置图如图6所示。

图6 实验装置改进图

3.3 实验设计思路

本次实验在利用数字化实验改进浓硫酸与铜反应装置的基础上，集二氧化硫的氧化性、还原性、漂白性、溶于水显酸性性质检验于一体。实验开始后，先加热浓硫酸，观察SO2传感器示数；再让铜与浓硫酸接触反应，观察SO2传感器示数，通过两次数据的比对，就能验证铜与浓硫酸反应的确能生成二氧化硫，排除装置中二氧化硫仅来自于浓硫酸中亚硫酸加热分解的可能性。除此之外，SO2传感器还可用于最后装置内二氧化硫含量的检验，确保所有二氧化硫都被氢氧化钠溶液吸收。用磁子作为铜丝附着装置的原因是因为磁子既具有磁性，方便磁铁在三颈烧瓶外部吸引来控制上下；而磁子外部有四氟乙烯，不与浓硫酸反应，因此不会对实验造成影响。玻璃长导管上装活塞，另一导管装单向阀，活塞关闭，反应装置处于密闭状态。打开止水夹1，生成的二氧化硫通过三通管进入微型装置进行性质检验，检验完成后关闭止水夹2。停止加热，此时止水夹1、2均关闭，可防倒吸。液体冷却后，打开止水夹1。洗耳球鼓气的目的在于把装置内二氧化硫气体全部赶入右侧被饱和氢氧化钠溶液吸收。

3.4 实验步骤及实验现象

(1)按照图6所示搭建实验装置，并进行装置气密性的检验。

(2)取一段铜丝，缠绕在磁子上，沿三颈烧瓶壁滑入底部，用磁铁在外壁吸引，将其置于三颈烧瓶中部。

(3)在三颈烧瓶中加入约5 mL浓硫酸，烧杯中加饱和氢氧化钠溶液至烧杯1/3处，直角导管一端与三通管用橡皮管相接，另一端接于三颈烧瓶其中一个支口。三颈烧瓶另一个支口插入SO2传感器。

(4)三通管一端通过橡皮管与带橡皮塞的导管相连，另一端接三角漏斗倒扣于饱和氢氧化钠溶液表面。

(5)取1只大试管，滴加1 mL Na2S溶液、1 mL品红溶液、1 mL石蕊溶液、1 mL酸性高锰酸钾溶液以及2 mL饱和氢氧化钠溶液于微型实验盒中，按顺序依次放入试管内，试管与带橡皮塞导管相连。

(6)先用酒精灯在三颈烧瓶底部预热再集中加热浓硫酸，观察此时SO2传感器的数据变化。

(7)用磁铁将绕有铜丝的磁子移至浓硫酸浸没磁子，不一会儿，观察到铜丝表面变黑且有气泡生成，三颈烧瓶底部有灰白色固体生成，SO2传感器数据明显上升。打开止水夹1，关闭止水夹2，右侧试管现象依次为：产生黄色沉淀、品红溶液褪色、紫色石蕊试液变红、高锰酸钾溶液褪色，关闭止水夹1，停止加热。

(8)反应液冷却后，打开玻璃导管活塞，用玻璃针筒抽取适量反应液后关闭活塞，将玻璃针筒伸入装有蒸馏水的烧杯中，注入反应液，观察到形成稳定的蓝色溶液。

(9)打开止水夹2，用洗耳球从单向阀中注入空气，将三颈烧瓶中的SO2全部赶入饱和氢氧化钠溶液中，使其被吸收。通过观察SO2传感器数据来实时掌控三颈烧瓶中SO2含量，确保装置内SO2完全被吸收。

4 改进实验的优点

(1)运用了手持技术现代化设备，学生可直接观察到二氧化硫气体产生情况，此装置还可用于探究浓硫酸与铜反应浓硫酸的最适浓度，将定性实验量化；并且可以监控最后装置是否有二氧化硫气体残留，以便除尽，很好地贯彻了绿色化学的理念。

(2)用磁铁吸引绕有铜丝的磁子，可以控制反应的发生与终止，并且可以很好地解决了人教版教材中铜丝上下抽动的活动性与装置的气密性很难达到两全这一难题，此外，还能避免一些实验用铁钉改进对实验造成的影响。

(3)使用玻璃针筒抽取反应液注入蒸馏水中，得到蓝色溶液，可以检测另一产物硫酸铜，且在这个过程中不会造成二氧化硫逸出，绿色环保。

(4)通过洗耳球向装置内鼓气，驱赶装置内二氧化硫被饱和氢氧化钠溶液吸收，从而使二氧化硫被吸收完全，不污染环境。

(5)实现了装置一体化，改进后的装置集SO2产生、验证氧化性、还原性、漂白性、酸性性质检验于一体。