铜与浓硫酸反应实验的探究

罗金虹++刘茜

【摘要】对高中化学人教版教材《化学1（必修）》中“铜与浓硫酸反应”实验的装置进行了改进，改进后可同时检验SO2的漂白性、还原性和酸性，增加了简易尾气吸收装置。分析了实验过程中上层溶液呈绿色的原因并进行实验验证。结果表明，棕黄色的热浓硫酸与蓝色水合铜离子混合导致上层溶液呈绿色。

【关键词】铜；浓硫酸；实验改进；绿色溶液

【中图分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）02-0276-02

Cu与浓H2SO4反应实验是高中化学教材中经典的实验之一，旨在让学生理解浓硫酸的强氧化性及SO2的检验方法[1]。按照高中化学人教版教材《化学1（必修）》第101页图4-32操作，实验过程中会遇到以下情况：在橡胶塞上直接抽拉铜丝不易操作，抽动铜丝时可能会使橡胶塞与铜丝的接触处漏气；该装置可以验证二氧化硫的漂白性，但不能体现SO2的其它性质，如酸性和还原性；没有尾气吸收装置；可能发生倒吸现象，给实验带来安全隐患[2]。针对以上不足，我们从绿色环保、装置简约安全等角度对该实验进行了改进，并对实验条件及实验现象进行了讨论。

一、实验改进

1.实验药品与仪器

药品：98%浓硫酸溶液、高锰酸钾溶液、紫色石蕊溶液、碱性品红溶液、20%氢氧化钠溶液。

仪器：铁架台、具支试管、量筒、绕成螺旋状的铜丝、单孔橡胶塞、T形管、橡胶帽、双联打气球、长直玻管、气球、棉花、试纸、橡胶管、止水夹。

2.实验过程

实验装置如图1所示。将铜丝灼烧至绿色火焰消失后，用砂纸反复打磨，再将其穿过与T形管连接好的胶帽。使用胶帽既避免了装置漏气又方便了抽拉铜丝。在长直玻璃管中从左向右依次放入润湿的品红试纸、紫色石蕊试纸、高锰酸钾试纸，三个试纸分别检验SO2的漂白性、酸性和还原性。如图1连接好实验装置，检查装置的气密性。用量筒量取一定体积的98%的浓硫酸溶液倒入具支试管中，塞好橡胶塞。将用20%的氢氧化钠溶液浸湿的棉花放入装置尾部的气球中，其作用是除去反应中剩余的SO2气体。

实验开始前，铜丝先远离浓硫酸液面，待浓硫酸加热一定时间后，将铜丝放入硫酸溶液中，此时观察到溶液中有大量气泡产生，伴随产生少量黑色沉淀。随着实验的进行，黑色沉淀部分消失，上层溶液呈绿色，下层有灰白色固体析出。记录下玻璃管中全部试纸完全变色的时间，迅速将铜丝抽离液面，移开酒精灯。打开止水夹，用双联打气球向整个装置缓缓鼓气，排尽装置中残余的气体。用酒精灯预热的方式对反应后的品红试纸进行加热，发现试纸由白色变为红色。

由此可见，该装置简约一体化。装置中铜丝抽拉方便，依次放置的三个试纸将SO2 的检验与性质清晰地展现，双联打气球与尾部蘸有NaOH溶液的棉花联用对实验进行了尾气处理，达到了环保目的[3]。

二、探究实验过程中溶液上层呈绿色原因

1.提出猜想

在铜与浓硫酸反应的实验过程中，观察到上层溶液颜色呈绿色。对这一现象，文献中有多种解释。如翟菊红等认为：“反应过程中Cu片上的Cu2S、CuS（黑色）掉落，与淡黄色固体S、少量蓝色CuSO4水合物混合，将调合成黑绿色浊液”[4]。夏立先等认为：“铜表面沾附氯元素（聚氯乙烯）、反应仪器和药品沾附无机含氯化合物都可能导致溶液呈绿色”[5]。

实验前，我们将铜丝灼烧至绿色火焰消失，以消除氯元素的干扰，再用砂纸将铜丝打磨干净。但在实验的过程中，我们发现上层溶液仍然呈绿色。是什么原因导致了这一现象的发生呢？反应后的上层溶液中含有铜离子和浓硫酸，温度较高时，水合硫酸分子离解，产生一定数量的自由水分子（H2SO4（aq）+nH2O（l） H2SO4·nH2O（aq）；△H < 0）。这些自由水分子与Cu2+络合形成蓝色络合物：Cu2+（无色）+4H2O [Cu（H2O）4]2+（蓝色）。我们猜想溶液呈绿色可能是蓝色与其它颜色的混合色。我们将98%浓硫酸加热后，发现其颜色为棕黄色。而蓝色与黄色混合色恰好是绿色。因此我们认为，上层溶液的颜色与浓硫酸及其中含有的Cu2+有关。

2.实验验证

（1）将五水硫酸铜与浓硫酸混合加热，观察到其上层溶液颜色呈绿色。将五水硫酸铜换成无水硫酸铜重复上述实验，观察到上层溶液颜色仍然呈绿色。硫酸铜与浓硫酸不反应，该实验说明，上层清液颜色变化由浓硫酸和硫酸铜混合所致。

（2）用氢氧化钠溶液滴定铜与浓硫酸反应的上层清液，到达终点后溶液变为蓝色。

（3）取相同体积的饱和硫酸铜溶液于两个锥形瓶中。在第二个锥形瓶中加入浓硫酸，加热，溶液由蓝色变为绿色。再用氢氧化钠溶液滴定至恰好有蓝色沉淀出现而不消失，此时，溶液又呈蓝色。向第一个锥形瓶中加蒸馏水至与第二个锥形瓶中溶液体积相等，观察到它们的颜色相同。该实验说明，浓硫酸在上层溶液的变色中有重要作用。

（4）验证棕黄色溶液与蓝色溶液混合得到绿色溶液。

实验1：取1号实验上层清液1mL，再加入5～6mL蒸馏水混合振荡均匀。

实验2：取0.5g五水硫酸铜加入2mL浓硫酸加热后取上层清液1mL。

实验3：将0.1g重铬酸铵溶于300mL水中配成棕黄色溶液。取1 mL饱和硫酸铜溶液与15mL重铬酸铵溶液混合振荡均匀。

实验4：取0.2g的六水三氯化鐵溶于40mL水中配成溶液呈黄色，取5滴饱和硫酸铜溶液与10 mL三氯化铁溶液混合振荡均匀。

实验5：将0.1g的干菊花茶加入300 mL水中加热煮沸5～6分钟，将水倒尽后继续加入50 mL的冷水，溶液呈黄色。取2滴饱和硫酸铜溶液与5 mL茶水混合振荡均匀。

以实验1、2溶液的颜色为对象，将实验3～5溶液的颜色分别进行对比，结果表明，实验3～5溶液的颜色与1、2溶液的颜色相近。该实验证明，黄色溶液与蓝色溶液混合会得到绿色溶液，因此棕黄色浓硫酸溶液与蓝色硫酸铜混合会得到绿色混合溶液。

三、结语

本次探究实验对铜和浓硫酸反应的实验装置进行了改进。改进后的装置，可同时检验SO2的漂白性、还原性和酸性，且铜丝抽拉更方便更易控制，增加了尾气吸收装置，避免污染空气。利用一系列颜色实验证明，铜和浓硫酸反应后的上层溶液呈绿色是因为棕黄色热浓硫酸与蓝色水合铜离子混合所导致。

参考文献

[1]人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学教科书（必修）化学[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]王春.基于绿色化学理念的高中新教材实验改进[J].教学仪器与实验，2010，（7）：22～23.

[3]周刚.“铜与浓硫酸反应”演示实验的改进与组合[J].中学化学，2015，（5）：31.

[4]翟菊红.铜与浓硫酸反应共热现象及原因分析[J].化学教育，2009，（9）：70～71.

[5]夏立先，对铜与浓硫酸反应溶液呈绿色的实验探究[J].化学教学，2015，（7）：64～65.

作者简介：罗金虹，（1994，11-）女，西华师范大学化学化工学院，四川苍溪人，在读研究生，主要从事中学化学教学研究，课程教育研究，刘茜，（1978，09-）男，西华师范大学化学化工学院，四川乐至人，大学本科，讲师，主要从事中学化学教学研究。课程教育研究。endprint