对浓硫酸与铜反应实验的深入探究

对浓硫酸与铜反应实验的深入探究

曹万宝

曹万宝甘肃省永昌县第一高级中学

一问题缘起

人教版高一《化学》教科书对浓硫酸与铜的反应实验过程描述如下：

在一支试管里加入一小块铜片，然后再加入3ml浓硫酸，用装有玻璃导管的单孔胶塞塞好，加热，放出的气体分别通入紫色石蕊试液或品红溶液中，观察反应现象。反应完毕，冷却后，将试管中的液体慢慢倒入另一支盛有少量水的试管中，观察溶液的颜色。教材上对实验现象的描述和解释是：浓硫酸与铜在加热时能发生反应，放出能使紫色石蕊变红或使品红溶液褪色的气体。反应后生成物的水溶液显蓝色。说明铜与浓硫酸反应时被氧化成了Cu2+，生成的气体是SO2。反应方程式为：

Cu＋2H2SO4（浓）==CuSO4＋SO2↑＋2H2O

可是笔者在做实验时发现：开始加热一会后先产生气泡，有细小黑色颗粒状物质从铜片表面进入浓硫酸中，形成黑色悬浊液；随着温度升高（至沸腾），试管中产生了细小的白色颗粒状物质，出现了大量白雾，品红溶液褪色；停止加热静置，未反应完的铜表面有黑色的不溶物，试管底部沉积的固体物质有黑色的和白色的，试管中的液体呈灰白色，将试管内的溶液倒入另一支盛有水的试管中，溶液的蓝色不够明显。

出现了这种情况，导致课堂演示实验没有达到演示的目的，而且在教学过程中很难向学生解释实验过程中出现的异常现象。

二探究过程

1．黑色物质成分的探究

取18.4mol/L浓硫酸3ml和一小块铜片，按课本要求做实验。试验完成后，笔者仔细进行了以下实验过程，探究试管中产物的成分。

（1）取少量试管中白色物质，加入另一支试管中，再加入适量水并振荡，发现白色固体溶解，溶液呈现蓝色；向此蓝色溶液中加入少量K4［Fe（CN）6］后，发现产生红棕色沉淀，说明是Cu2+，由此可知铜与浓硫酸反应产生了CuSO4。

（2）将铜片取出，用少许水洗涤中，黑色物质脱落但不溶解。往洗涤液中滴加稀硫酸，发现部分黑色物质溶解，溶液呈现蓝色，由此说明黑色物质中有CuO。

（3）取试管中黑白相间的物质，加水溶解过滤后，将黑色物质加入到少量氰化钾溶液中，黑色物质全部溶解。向此溶液中加入亚硝酰铁氰化钠，则溶液显紫色，说明有S2－，由此说明铜与浓硫酸反应产生了CuS。

依据以上实验事实，我们可以认为Cu与浓H2SO4的反应，因为有CuSO4和黑色物质CuO、CuS生成，所以试管底部出现黑白相间的物质，反应方程式如下：

Cu＋2H2SO4（浓）==CuSO4＋SO2↑＋2H2O

Cu＋H2SO4（浓）==CuO＋SO2↑＋H2O

5Cu＋6H2SO4（浓）==4CuSO4＋CuS＋SO2↑＋6H2O

由此可见，18.4mol/L浓硫酸与铜反应时，在体系内不但生成了CuSO4，而且生成了CuS和Cu2S。由于浓硫酸含水量相当少，且本身又具有吸水的特性，所以整个反应几乎是在非水溶液中进行的，反应过程中生成的少量水以水蒸气随SO2释放出去，因此生成的CuSO4几乎没有水溶解，而以白色沉淀出现在试管中。反应后试管中的液体几乎都是浓H2SO4而不是CuSO4溶液，所以试管中液体被倒出稀释之后还是很难观察到溶液变蓝。

2．实验条件探究过程

虽然对黑色物质的成分有了探究结果，但是由于Cu与浓H2SO4反应比较复杂，不便于向中学生解释，笔者为了取得更加直观的课堂演示效果、为了使浓硫酸的强氧化性对学生更具说服力，通过调整浓硫酸的浓度和反应温度，经过多次试验，有了使该反应达到比较理想的实验效果的措施。

（1）不同浓度时硫酸和铜的反应

将适量的18.4mol/L浓硫酸加到定量蒸馏水中，稀释成下列浓度的硫酸溶液：16mol/L、15mol/L、14mol/L、12mol/L、11mol/L、10mol/L、8mol/L，分装在7支试管中，分别投入少量的小铜片，依次在酒精灯上加热至沸腾。

结论：在浓硫酸与铜的反应中，浓硫酸的氧化性随浓硫酸浓度减小而变弱，酸性随浓硫酸浓度减小而增强。所以在浓硫酸与铜的演示实验中，浓硫酸的浓度宜选择浓度范围为12mol/L~14mol/L。试管内溶液所呈现的蓝色，直观性强，学生信服，并且可以节约硫酸。

（2）不同温度时浓硫酸与铜的反应

把18.4mol/L的浓硫酸加热到140℃左右，撤去酒精灯，把铜片快速放入试管中。此时反应比较缓慢，溶液中生成了黑色的细小粉末，待溶液冷却后进行过滤，将黑色的固体加入到水、稀硫酸和氨水中，发现在水和稀硫酸中没有溶解，而在氨水中溶解，由此可以证明黑色固体是Cu2S。

把18.4mol/L浓硫酸加热到200℃左右，撤去酒精灯，把铜片快速放入试管中。此时反应速率较快，溶液中生成了黑色的细小粉末，品红试纸褪色后，待溶液冷却后进行过滤，将黑色的固体加入到水、氰化钾溶液中，发现在水中没有溶解，而在氰化钾溶液中溶解了，由此可以证明黑色固体是CuS。

把18.4mol/L浓硫酸加热到接近沸腾（温度约为338℃），撤去酒精灯，把铜片快速放入试管中。此时反应非常剧烈，溶液中快速的生成白色固体和很少量黑色细小粉末。试管中产生大量的白雾，品红试纸褪色。待溶液冷却后，把试管中的白色固体加入到水中，白色固体完全溶解，形成蓝色溶液，由此可以证明白色固体是CuSO4。

结论：在浓硫酸与铜的演示实验中，应采取快速加热溶液至沸腾，这样不但副产物会更少一些，而且能够得到大量的CuSO4，稀释后溶液呈现蓝色，使实验说服力更强，更容易使学生信服。还能够缩短反应所需的时间。

综上（1）、（2）探究，可以得出结论：在铜与浓硫酸的演示实验中，应选择浓度范围为12mol/L～14mol/L的浓硫酸，并且需要快速加热溶液至沸腾，才能保证实验的直观性，确保实验的演示效果。

三探究反思

化学是一门以实验为基础的自然学科，演示实验是中学化学教学中最常用的手段之一，也是化学教学的特色方法。因此，正确、合理地使用演示实验可以使学生观察到物质变化的全过程，体验实验过程的真实性、科学性，激发学生学习化学的兴趣，使学生由被动学习变为主动学习，从而能够显著地提高教学效果和教学效率。

有人说过：“实验是化学的最高法官”！所以加强和改进演示实验教学，是深化化学教学改革的突破口之一。因此，教师在课堂演示实验的教学中，不能一味的“教课本”，这样不但会扼杀自己的创新思维和创造能力，而且会给学生留下不真实的印象，甚至错误的记忆。灵活的“用课本”，对教材上的实验作深入细致的研究、探索，以提高自身的科学素养、提高驾驭课堂实验教学的能力，培养自身的创新思维和创造能力。