铜和浓硫酸反应实验装置的优化设计

刘林 廖钫

[摘 要] 针对中学教材中铜和浓硫酸实验存在的不足，对实验装置和反应物进行了改进。实验改进后，能够在加快反应速率的同时控制反应发生进度，还能极大地减少污染物的排放，体现绿色化学理念。此外，改进后的实验装置还适用于铜和浓硝酸相关的化学反应，达到一器多用的效果。

[关 键 词] 铜和浓硫酸反应；实验改进；优化设计

[中图分类号] O6-3 [文献标志码] A [文章編号] 2096-0603（2018）22-0080-01

铜和浓硫酸反应是现行人教版化学教材中非常重要的一个演示实验，它体现了浓硫酸的强氧化性，也易于加深学生对氧化还原反应的理解。关于铜和浓硫酸的反应，许多化学教师对实验进行了改进。从总体上来看，改进方向分为以下两个方面：对反应可控性的改进；对SO2气体性质检验方法以及尾气吸收装置的改进等。笔者就教材中铜和浓硫酸反应演示实验存在的不足之处对其进行了总结归纳：将铜丝与浓硫酸一起加热，由于铜与浓硫酸反应较为复杂，不同的温度下会产生诸多副反应，影响蓝色溶液的观察；铜丝与浓硫酸接触面积小，会对反应速率造成一定的影响；当铜与浓硫酸反应产生的气体量减少时，会发生倒吸现象；装置未对尾气进行处理，SO2具有刺激性气味，直接排入空气中，不仅会影响师生健康，还会污染环境，不利于加强学生的环保意识；将冷却后的液体倾倒入盛有少量水的试管中，这个过程中也存在一定量的SO2气体外溢，不符合绿色化学的理念。

针对上述问题，笔者在将浓硫酸加热至沸腾的情况下，以减少副产物、加快反应速率、体现绿色化学理念等为目的，对实验装置以及反应物做出了改进。

一、实验仪器与药品

1.仪器：铁架台、十字夹、铁夹、铁圈、三颈烧瓶、酒精灯、石棉网、玻璃导管、试管、单联球、医用注射器、止水夹、橡胶塞、脱脂棉若干、橡胶管。

2.药品：浓硫酸、铜丝、铜片、品红溶液、氢氧化钠溶液、蒸馏水。

二、实验装置（铁架台、十字夹、铁夹、铁圈、酒精灯已略去）

三、实验过程

1.如图所示，连接好实验装置，并检查装置的气密性。

2.反应物加工：将10厘米长的铜丝穿过1.5 mm×1.5 mm的铜片中心，使铜片固定在铜丝最下端。

3.调整好带有铜片的铜丝伸入三颈烧瓶中的长度，使铜片位于三颈烧瓶中部。

4.向三颈烧瓶中加入4 mL98%的浓硫酸；试管中加入品红溶液，注射器分别装入蒸馏水、氢氧化钠溶液。

5.点燃酒精灯，先预热再集中加热三颈烧瓶底部至浓硫酸沸腾。

6.撤去酒精灯，将带有铜片的铜丝立即插入浓硫酸溶液中，使铜片与浓硫酸溶液完全接触，反应开始。

7.待品红溶液褪色，将铜丝向上拉，使铜片与浓硫酸分离，反应停止。

8.打开止水夹，用单联球向三颈烧瓶中鼓气四至五次。

9.待溶液冷却后，将注射器中的水注入三颈烧瓶，观察溶液颜色。

10.向三颈烧瓶和试管中注入氢氧化钠溶液，吸收多余的SO2。

四、实验改进后的优点

1.将铜片固定在铜丝下端，既增大了铜与浓硫酸的接触面积，加快了反应速率，又能随时控制反应的发生与停止。

2.使用三颈烧瓶和注射器结合，不需再将反应后的溶液倒入盛有水的试管中，将水注入三颈烧瓶就能观察到溶液颜色变蓝，避免了在倾倒过程中SO2气体外溢。

3.加入单联球，在反应后期产生的气体较少时，向三颈烧瓶中注入空气，可以防止品红溶液倒吸。

4.反应结束后，向三颈烧瓶与试管中注入氢氧化钠溶液进行尾气吸收，能够有效地减少一部分气体外溢。

5.该装置还可用于铜与浓硝酸相关的反应。仅在一个容器内就能实现铜与浓硝酸、铜与稀硝酸、二氧化氮与水、二氧化氮与一氧化氮之间的转换等诸多反应，达到一器多用、现象明显、绿色环保的效果。

参考文献：

[1]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.

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

[3]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.

[4]王春.铜与浓硫酸反应的实验探究改进[J].化学教育，2009（10）：58-59.

[5]吴桂英，夏年利.铜与浓硫酸反应系列实验装置的创新设计[J].中国教育技术装备，2003（11）：15-16.

[6]王继璋.温度对铜和浓硫酸反应的影响探究[J].化学教育，2013（9）：64-68.