铜与浓硫酸反应的绿色微型化实验

2019-08-11李艳艳

考试周刊 2019年52期

摘要：针对苏教版和人教版教材中“铜与浓硫酸的反应实验”中存在的不可控和污染等问题以及近几年部分文献中改进方案存在的不足之处，本文在绿色化学的基础上从简约化、集约化、微型化三个角度出发对实验进行了新的改进。通过磁铁吸引密封玻璃管实现对反应的控制;利用气唧辅助消除反应尾气污染;利用密封袋和井穴板同时进行二氧化硫的性质实验与尾气处理。

关键词：浓硫酸;实验改进;微型化;绿色化学

一、实验背景

铜与浓硫酸的反应是高中重要实验之一。新课程两个版本的化学教科书对该反应的实验设计不同，但是在实际操作过程中都存在若干不足之处，以下予以分析：

（一）苏教版教材铜与浓硫酸反应的装置

不足之处：

①不能控制反应进程。当观察到品红溶液褪色时，不能马上使反应停止，二氧化硫仍继续产生。

②撤掉酒精灯则导致气压减小容易引起倒吸。若先将导管拔出则会导致二氧化硫泄露。

③装置中空余部分仍会残留二氧化硫且没法除去。

（二）人教版教材铜与浓硫酸反应装置

不足之处：

①铜丝与橡胶塞摩擦较大，实际操作过程不方便。

②试管和导管中残留二氧化硫，拆卸过程中导致二氧化硫泄露。

③缺少尾气吸收装置，对环境及师生健康不利。

④由于二氧化硫易溶于水，容易引起倒吸。

总的来说，两个版本的教材实验设计在控制进程、尾气吸收、防止倒吸方面存在不足，有明显改进的空间。

（三）部分文献中介绍的实验方案

1. 以2003年和2016年发表的文章为例

这两个设计都是采取抽拉铜丝的方式控制反应进程，实际操作抽拉过程不是很方便。都有尾气处理装置，但是装置内仍残留二氧化硫且没法除尽。这两个设计较好的一点是可以一步进行多个二氧化硫的性质实验，有利于巩固二氧化硫的相關知识。图4所示装置则需要多个铁架台，操作烦琐且影响美观。

2. 以2015年和2017年发表的文章为例

这两个设计都采用了鼓气装置排除装置内残留二氧化硫气体，用氢氧化钠溶液进行尾气吸收。只用品红溶液进行二氧化硫的性质检验，比较单一。图5采用的是抽拉铜丝的方式控制反应进程，图6则改用小磁铁吸引绕着铜丝的封铁玻璃管，封铁玻璃管可多次使用，操作上比抽拉铜丝要方便很多。

二、实验创新

针对目前实验设计存在的一些问题，笔者在改进与创新时主要考虑以下几点：

（1）实验装置微型化。

（2）实验装置易于组装，操作方便，符合简约化原则。

（3）有害气体全吸收，符合绿色化学原则。

（4）多个性质实验一起进行，符合集约化原则。

如图7，通过磁铁吸引绕着铜丝的封铁玻璃管控制反应进程。铜与浓硫酸在加热条件下产生的二氧化硫气体可通过品红溶液、紫色石蕊溶液、硫化钠溶液、高锰酸钾溶液进行检验。通过气唧鼓气将剩余气体鼓入密封袋中，拔出针头，原来用于固定的胶布此刻起密封作用，倒扣井穴板，振荡密封袋，除去有毒的二氧化硫气体与反应产生的硫单质。

三、实验方法

（一）实验原理

（1）铜与浓硫酸在加热条件下发生反应生成硫酸铜、二氧化硫和水：

Cu+2H2SO4（浓）△CuSO4+SO2↑+2H2O

（2）二氧化硫能使红色的品红溶液褪色;

（3）二氧化硫与水反应生成的亚硫酸具有酸性，能使紫色石蕊溶液变红;

（4）二氧化硫具有弱氧化性，能将硫化钠氧化生成黄色硫单质;

（5）二氧化硫具有还原性，能与酸性高锰酸钾溶液反应，使其褪色;

（6）二氧化硫与氢氧化钠反应生成亚硫酸钠和水。

（二）实验用品

98%浓硫酸、铜丝、品红溶液、紫色石蕊溶液、硫化钠溶液、高锰酸钾溶液、氢氧化钠溶液;

试管一支，配套两孔橡胶塞，密封铁玻璃管一个，磁铁一块，气唧一个，塑料导管两根，塑料导管配套针头、密封袋一个，六孔井穴板一个，胶布一个，小剪刀一把。

（三）材料加工（封铁玻璃管的制作）

取一根细玻璃管（或把胶头滴管去掉胶头，作为玻璃管用），取直径3～5mm，长约20mm的铁丝，放在玻璃管内。用两把镊子分别夹住玻璃管的两端，在酒精灯或酒精喷灯上先预热，再左右移动加热铁丝部位的玻璃管。当玻璃管变软后两端拉伸，使两端封好，再烧圆。用镊子侧面较平整部位趁热压一下烧圆的端头，使得端头变粗，形成疙瘩，因此缠绕上的铜丝，不容易滑落。到此，封铁玻璃管就制成了，其可被磁铁吸引，且容易加工。

（四）实验操作步骤

（1）如图7连接好装置，并检查装置气密性。

（2）向试管中加入5mL98%浓硫酸，用铁夹夹好。

（3）取一段约20cm的铜丝，将其缠绕在封铁玻璃管上。在试管外用磁铁吸引，将封铁玻璃管固定在试管中上部。

（4）连接好装置后，对试管进行预热，再集中加热浓硫酸至沸腾。

（5）拿掉小磁铁，让封铁玻璃管滑入试管底部与浓硫酸进行反应。

（6）观察到井穴板中品红溶液褪色，紫色石蕊溶液变红，硫化钠溶液中产生黄色沉淀，高锰酸钾溶液褪色，即可移去酒精灯，用磁铁吸引封铁玻璃管向管口方向移动直至脱离液面，使反应停止。

（7）用气唧鼓气，将装置内残留气体鼓入密封袋中，拔出针头，用胶布将针孔密封。倒扣井穴板，振荡密封袋，除去二氧化硫和硫单质。

（8）拆下装置，洗涤，并处理好废液。

四、实验优点

（1）实验器材简单易得，装置简约。

（2）通过磁铁吸引封铁玻璃管控制反应进程，比抽拉铜丝要简单方便很多。