铜与浓硫酸反应实验装置的一体化新设计

巩永锐 李忠恒 周丽梅 罗廖莉

摘要： 针对三种现行不同版本的教材以及文献报道中铜与浓硫酸反应实验装置的不足，提出新的改进方案。采用自制带平台的直角玻璃管、B型磁力搅拌子、磁环、注射器、球形干燥管、单连打气球等常见器材对该实验装置进行重新设计。改进后的实验装置具有反应可控、倒吸可防、污染可除、现象明显、富有趣味等特点。

关键词： 铜与浓硫酸的反应; 一体化设计; 实验探究

文章编号： 10056629（2022）06006804

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 教材实验分析

铜与浓硫酸的反应是体现浓硫酸具有强氧化性的代表性实验。比较现行三套高中化学教材，发现铜与浓硫酸反应装置的设计各有千秋，但在实验过程中均存在一些不足之处。下面对教材中该反应装置的设计进行简要分析。

1.1 人教版（新版）教材

人教版2019年（新版）教材中实验装置如图1所示[1]。该方案在旧版教材的基础上新增了盛有石蕊溶液的试管，同时加了浸有氢氧化钠溶液的棉团用于尾气处理。整个装置简易，操作方便，但仍存在以下不足之处：

（1） 铜丝由胶塞侧面挖的凹槽伸入试管中，在拉动铜丝的过程中摩擦力很大，有可能会损坏试管或拉出胶塞，操作不便。

（2） 新版教材新增了尾气处理装置，但是浸有NaOH溶液的棉团不能将产生的SO2气体全部吸收，拆除装置后装置内部残存的SO2仍然会污染环境。

（3） 由于浓硫酸的吸水性强于硫酸铜，反应后产生的CuSO4以白色固体形式留于试管底部，不易出现蓝色溶液。将试管内的物质倒入盛有水的另一试管则会导致装置内的SO2逸出造成污染。

（4） 由于无防倒吸装置，溶液可能会倒吸到灼热的试管中，存在安全隐患。

1.2 沪科版教材

沪科版教材中实验装置如图2所示[2]。该方案利用抽气装置解决溶液倒吸引发的安全问题，仪器组装简易，并用NaOH溶液进行尾气处理，但同样存在些许不足之处：

（1） 使用铜片与浓硫酸进行反应，反应进程无法控制。且铜片在升温过程中会与浓硫酸反应生成Cu2S、 CuS等黑色副产物，与理想的实验现象有较大出入，解释黑色固体生成的原因则会影响教学的时间，冲淡教学主题。

（2） 抽气装置较为复杂，部分基础设施落后的学校不具备相应的教学条件。

（3） 反应后H2SO4溶液浓度很大，硫酸铜溶液颜色很浅，不易观察。将反应后的溶液倒入另一盛有少量水的烧杯中，溶液呈现明显的蓝色，但同时也会造成 SO2外逸污染环境。

1.3 苏教版（新版）教材

蘇教版2020年（新版）教材中实验装置如图3所示[3]。该方案装置简易，操作方便，但仍有以下不足之处：

（1）使用铜片与浓硫酸反应，不能控制反应的进程。

（2）缺少防倒吸装置，品红溶液容易倒流回加热的试管中引发安全事故。

（3）铜片与浓硫酸在较低温度下便开始反应，会产生Cu2S、 CuS等黑色副产物，同时生成的CuSO4溶液颜色很淡，不利于观察。

2 对已有改进实验的述评

针对各教材中所设计实验装置的不足之处，众多化学教学工作者对该实验装置从不同的角度进行了改进，其中具有代表性的有以下四类方案。

方案一： 如图4所示实验装置[4]。通过上下拉动铜丝控制反应进程，带止水夹的橡胶管与外界大气相连，以平衡气压进而避免溶液倒吸。但是，整个装置较为复杂，且反应后的CuSO4在高浓度的H2SO4中不易呈现明显的蓝色。虽然有尾气处理装置，但无法除尽装置内部残留的SO2气体。

方案二： 如图5所示实验装置[5]。通过条形磁铁与铁钉之间的吸引控制反应的进程，使用球形干燥管平衡气压解决了溶液倒吸的问题。用浸有品红溶液的滤纸条代替品红溶液，实现了实验简易化的同时减少了SO2气体产生的量。装置不足之处在于： （1）条形磁铁过大且不能附着在试管外壁，操作不便;（2）铁钉在高温下暴露于酸雾中，导致铁钉也会参与反应，干扰实验现象;（3）反应结束后具支试管内部残留的SO2气体无法被浓NaOH溶液吸收;（4）反应生成的CuSO4在浓H2SO4中往往不易呈现明显的蓝色。

方案三： 如图6所示实验装置[6]。利用小磁铁与封铁玻璃管之间的引力控制反应进程，既保证装置内部的气密性也增加了实验的趣味性。但是制作封铁玻璃管的过程较为繁琐，若密闭性不好，玻璃管内部的铁丝同样会与浓硫酸发生反应，并且用打气筒鼓气并不能排尽装置内部产生的SO2气体。反应结束待试管冷却后将反应液倒入盛有水的另一试管内，才能明显观察到CuSO4溶液的蓝色，操作复杂且SO2气体会逸出污染环境。

方案四： 如图7所示实验装置[7]。将98%的浓硫酸稀释为80%进行实验，反应后更容易呈现硫酸铜溶液的蓝色现象。将装有品红溶液和石蕊溶液的试管更换为品红试纸和石蕊试纸，体现了试剂微量化的特点。消除了溶液倒吸的问题，同时连接洗耳球的导管伸入试管内部，能较大程度地排除具支试管内残留的SO2气体。不足之处在于蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉对SO2气体吸收能力有限，会有部分SO2气体逸出造成环境污染。

3 铜与浓硫酸反应实验装置的一体化新设计

基于对上述实验方案的分析，笔者决定取其精华，以自制的带平台的直角玻璃管为实验载体，将铜丝一端绕成螺旋状，另一端缠绕于B型磁力搅拌子上，将缠绕铜丝后的B型磁力搅拌子放入玻璃管的直角一端，将磁环套在玻璃管外部。向玻璃管直角处加入5mL 98%的浓硫酸，用酒精灯在玻璃管直角处下端加热。利用磁环对B型磁力搅拌子的吸力，上下拉动磁环从而控制反应的发生与停止。采用浸有品红溶液和石蕊溶液的脱脂棉验证生成的SO2气体并进行其性质实验，减少了试剂的用量，引入球形干燥管则可有效防止溶液倒吸。实验结束，利用单连打气球在左端鼓气，排尽玻璃管内产生的SO2气体。待玻璃管冷却后通过注射器向玻璃管内注入适量蒸馏水，将反应后生成的CuSO4溶液进行稀释，从而呈现更加明显的蓝色。笔者利用自制的带平台的直角玻璃管、B型磁力搅拌子、磁环、注射器、球形干燥管等实验器材，设计出一种反应可控、倒吸可防、污染可除，同时具有趣味性、现象明显、成功率高的实验装置，从而更好地为高中化学教学服务。

3.1 仪器与药品

仪器： 硬质玻璃管、B型磁力搅拌子、磁环、铁架台（带铁夹）、单连打气球、球形干燥管、胶头滴管（2个）、橡胶塞（3个）、直角导管、5mL注射器、100mL烧杯、酒精灯、镊子、酒精喷灯、火柴

药品： 市售浓硫酸（98%）、铜丝（长约20cm）、品红溶液、石蕊溶液、饱和氢氧化钠溶液、脱脂棉、蒸馏水

3.2 制作带平台的直角玻璃管

选一支长约40cm、内径20mm、外径24mm的硬质玻璃管，用记号笔在其三等分点附近做好标记。点燃酒精喷灯，用双手水平握住玻璃导管的两端，先用酒精喷灯在第一个三等分点附近均匀加热，然后集中火焰加热。加热过程中注意要不停地朝一个方向匀速旋转，使其受热均匀。待玻璃管加热至红软状态时脱离火焰，然后水平向内均匀用力，一次性弯成90°。待玻璃管冷却后重复上述操作，将第二个三等分点反方向弯曲成120°，冷却后带平台的直角玻璃管便制作完成了。

3.3 实验装置图

如图8所示。

3.4 实验操作步骤

（1） 按图8所示连接好实验装置，检查装置的气密性。

（2） 用胶头滴管从左口向玻璃管直角处加入5mL 98%的浓硫酸，然后分别用品红溶液和紫色石蕊溶液将两团脱脂棉润湿，用镊子分别将浸有品红溶液和紫色石蕊溶液的脱脂棉从左到右放到玻璃管内的平台上，二者相距4cm左右。

（3） 选取一段20cm长的铜丝，上端缠绕于B型磁力搅拌子上，下端绕成螺旋状，长约3cm。将绑有铜丝的B型磁力搅拌子放于直角玻璃管左上部，将磁环放于玻璃管外部从而固定内部铜丝的位置。

（4） 将带有单连打气球的橡胶塞塞进直角玻璃管的左上口。将一根两端带有橡胶塞的直角导管的一端插入球形干燥管中，另一端插入平台右端的玻璃管中。然后将球形干燥管伸入盛有饱和氢氧化钠溶液的烧杯中。

（5） 点燃酒精灯，加热浓硫酸至沸腾，斜向下推动磁环使铜丝与浓硫酸接触反应，片刻后可观察到浸有品红溶液的脱脂棉褪色，浸有紫色石蕊溶液的脱脂棉变红。此时向左上方拉动磁环，反应迅速停止。将燃着的酒精灯移动至浸有品红溶液的脱脂棉下面加熱，发现浸有品红溶液的脱脂棉再次变红，从而验证SO2气体的漂白性具有不稳定性。

（6） 待直角玻璃管冷却后，用注射器吸取5mL的蒸馏水从左上角的橡胶塞插入，将蒸馏水注入直角玻璃管内。稍加振荡，即可出现非常明显的蓝色溶液，同时弯管内部几乎没有黑色沉淀生成。

（7） 用单连打气球从左上角向玻璃管内部鼓气，将装置内部残留的SO2气体全部排出被饱和氢氧化钠溶液吸收。

3.5 一体化实验装置的优点

（1） 将铜丝缠绕于B型磁力搅拌子上，通过磁环的吸力控制铜丝的位置进而控制反应的发生与停止。器材是实验室常见仪器，廉价易得，且B型磁力搅拌子呈圆柱带节型，缠绕铜丝非常方便。搅拌子外部材质为聚四氟乙烯，耐酸耐碱耐高温，稳定可靠。磁环由于与搅拌子因引力被牢牢吸附在玻璃管外壁，解放双手的同时也增添了实验的趣味性。

（2） 实验主体装置为带平台的直角玻璃管，易于加工，且可以反复使用，也可以推广到其他实验中。整个装置器材易得、组装简易。不仅适用于教师演示实验，也适用于学生分组实验。

（3） 用浸有石蕊溶液和品红溶液的脱脂棉代替盛有石蕊溶液和品红溶液的试管进行实验，减少了试剂的用量，同时增大了反应的接触面积，颜色变化更为明显。

（4） 装置冷却后，用注射器向直角玻璃管内部加入适量蒸馏水，将玻管底部生成的白色固体CuSO4转化为蓝色的CuSO4溶液。解决了许多改进实验中蓝色现象不明显的问题。

（5） 反应结束后，在左上方挤压单连打气球，使残留的SO2气体经右边平台排出，可以最大程度地将整个装置内部的SO2气体全部排尽，被饱和NaOH溶液吸收。解决了诸多改进装置进气口和出气口都在同一位置，很难将产生的SO2气体全部排尽的问题，符合环保理念。

（6） 球形干燥管的加入有效解决了溶液倒吸引发的安全问题。

参考文献：

[1]王晶， 郑长龙主编. 普通高中化学教科书·化学（必修）第二册[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 5.

[2]姚子鹏主编. 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， 2007： 15.

[3]王祖浩主编. 普通高中教科书·化学必修（第一册）[M]. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2020： 95～96.

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

[5]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.

[6]陈海涛. 铜与浓硫酸反应实验方案的新设计[J]. 化学教学， 2015， （10）： 65～68.

[7]李文杰. 浓硫酸与铜反应实验的改进[J]. 化学教学， 2019， （7）： 63～65.