铜与浓硫酸反应实验的新设计

湖北省天门市天门中学(431700) 伍 强

1 背景

铜与浓硫酸反应过程中往往会因为温度不够高而发生副反应，生产大量黑色物质，对实验现象的观察造成干扰。为了防止这些黑色物质的出现，必须将浓硫酸先煮沸，然后再将铜加入到浓硫酸中。将铜加入沸腾的浓硫酸后，会迅速产生大量的二氧化硫气体。二氧化硫气体从沸腾状态的浓硫酸中逸出时，会带走大量硫酸蒸气，硫酸蒸气遇冷后形成硫酸小液滴，分散在二氧化硫气体中，形成硫酸气溶胶。教材实验中，铜丝通过橡胶塞上的凹槽伸入，由于凹槽与铜丝间有较大缝隙，大量硫酸气溶胶从缝隙中逸出，会对实验者的身体造成危害。现有改进实验装置都是为吸收二氧化硫而设计的，尚未有人对硫酸气溶胶的吸收作出设计，为此笔者设计出一套铜与浓硫酸反应的新装置。

2 实验用品

小试管、试管夹、酒精灯、胶头滴管、小烧杯、细铜丝、粗铜丝、脱脂棉、浓硫酸、品红溶液、氢氧化钠溶液、蒸馏水。

3 实验装置图及说明

如图1所示，取1根打磨光亮的粗铜丝，在粗铜丝中段用细铜丝绑1块长条形脱脂棉，形成1个脱脂棉柱。取1支小试管，将脱脂棉柱塞入试管，将试管直立，粗铜丝和脱脂棉柱不会向下滑动。用手上下抽动铜丝，使得脱脂棉柱能在试管中较容易地上下移动，拉动铜丝，将脱脂棉柱拔出试管。在脱脂棉柱的下端滴几滴品红溶液，上端滴加1滴管氢氧化钠溶液。向小试管中加入1滴管浓硫酸，将粗铜丝插入小试管中，使脱脂棉柱卡在试管中，将试管封堵起来，此时不能使粗铜丝下端与浓硫酸接触，以免发生副反应。

4 实验操作

左手持试管夹，将小试管套在试管夹上，并在酒精灯上加热，待浓硫酸沸腾后，用右手捏住粗铜丝上端向下移动，将铜丝下端插入浓硫酸中。铜丝立即与浓硫酸发生剧烈反应，产生大量气体，并在试管中形成大量白雾，这些白雾就是硫酸气溶胶，整个实验过程中，硫酸气溶胶不能穿透脱脂棉柱逸出试管外。约10 s后，脱脂棉柱底端的品红溶液褪色，这说明铜与浓硫酸反应生成了二氧化硫气体。用右手捏住粗铜丝上端往上移动，将粗铜丝下端移出浓硫酸。停止加热，熄灭酒精灯，静置片刻，观察试管中的现象，发现浓硫酸呈浅蓝绿色，这说明浓硫酸中溶解了少量铜离子。试管底部有少量白色沉淀，该白色沉淀为无水硫酸铜，由于试管中几乎不含水，硫酸铜只能以无水物的形式存在，而且无水硫酸铜在浓硫酸中的溶解度不大，因此主要以沉淀形式存在。待试管彻底冷却后，将粗铜丝拔出试管。用倾滗法将试管中的浓硫酸缓缓倒入一个装有水的小烧杯中，白色沉淀黏附在试管底部，不会随着浓硫酸一起被倒出。向试管中加入1滴管蒸馏水，振荡试管，发现白色沉淀溶解，形成蓝色溶液，该蓝色溶液为硫酸铜水溶液。

5 改进的意义

本实验最主要的创新点是设计出了脱脂棉柱这一装置。脱脂棉柱在本实验中有以下几个作用：

第一个作用是封堵试管。脱脂棉柱由棉花纤维构成，棉花纤维的主要成分是纤维素，纤维素中含有大量羟基，而硫酸分子中也含羟基，因此硫酸分子极易与纤维素形成氢键而结合在一起。当硫酸与二氧化硫气体组成的气溶胶通过脱脂棉柱时，硫酸小液滴与棉花纤维碰撞，然后就被棉花纤维吸收。由于脱脂棉柱足够长，棉花纤维也比较致密，大多数的硫酸小液滴都能被棉花纤维捕获。即使有少量硫酸液滴突破棉花纤维的重重阻隔，随着二氧化硫气体顺利到达试管口，最终也会与二氧化硫气体一同被脱脂棉柱尾端的氢氧化钠溶液吸收。

第二个作用是有利于调节铜丝的位置。由于脱脂棉柱有弹性，塞入试管后，对试管内壁有一定的压力，可产生足够的摩擦力，可防止粗铜丝因重力作用往下滑动。由于脱脂棉柱足够长，在上下调节铜丝的过程中，脱脂棉柱始终有一部分卡在试管中，保持了试管的密闭状态。

第三个作用是作检测试剂与尾气处理试剂的载体。脱脂棉柱下端的品红溶液起检验二氧化硫气体的作用，上端的氢氧化钠溶液主要起吸收二氧化硫气体的作用。