硫与铜反应实验再改进

2021-01-22王强

化学教学 2021年10期

关键词：实验改进实验探究

王强

摘要：梳理教材及文献中硫与铜反应实验的利与弊，用铜粉代替铜丝，师生共同参与对该实验的再改进。改进后的实验装置改变了加料方式，使反应过程中铜粉与硫蒸气充分接触，加快了反应速率，实验现象更加明显，同时确保实验的安全环保，充分实现了其教学价值。

关键词：硫与铜粉反应; 实验改进; 实验探究;紫铜粉;碱石灰

文章编号： 1005-6629（2021）10-0071-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

硫是一种生产、生活中常见的非金属单质，在一定条件下，能够与金属反应生成金属硫化物。2019年版人教版普通高中教科书（简称新人教版）化学必修第二册第五单元第一节“硫及其化合物”中提到硫能与铜反应，但仅对该反应作了符号表征（2Cu+S△Cu2S），而未设置相关实验。

实验是学生认识物质及其变化的基础，是培养学生化学学科兴趣的源头。在此实验中由于硫与铜反应是放热过程，理论上还能通过反应后铜变红热现象呈现反应能量的变化，若能加以演示，可使学生直观感受化学反应中不仅有新物质的生成，还伴随有能量的变化，进而培养学生细致入微的观察能力，增强学生从宏微结合视角分析问题的能力，引导学生树立变化观念。

查阅相关文献资料，1983年版高中化学教材（以下称老教材）曾设置了硫与铜反应的演示实验[1]，具体操作步骤为：给盛有硫粉的大试管加热，加热到硫沸腾产生蒸气时，用坩埚钳夹住一束擦亮的铜丝伸入管口（如图1所示），观察实验现象。

该装置易于组装，实验操作简便，现象较为明显，便于课堂演示，发挥了实验的教学功能，有一定的参考价值。但该实验存在以下不足：

（1）实验中产生二氧化硫，若不及时处理，则会污染环境，影响师生健康。

（2）当温度相对较低的铜丝插入含硫蒸气的大试管中时，铜丝表面往往会有少量硫单质凝结。若降低加热效果，往往需要较长的时间才能观察到应有的现象。该操作还可能造成铜丝与试管壁沾粘，影响实验现象的观测。

2 对相关实验改进文献的简述

经典的教材实验为我们提供了有价值的参考资源，以及改进和创新的广阔空间。杨育民[2]将试管截短，然后加入硫粉，并将试管垂直固定于铁架台上，酒精灯加热，待试管内硫生成5cm高的蒸气时，从管口插入铜丝，即可观察到明显的实验现象（如图2所示）。该改进实验克服了试管过长时铜丝易与试管壁沾粘不易插入的缺点，同时增加了硫蒸气高度，提升了实验的成功率，但没有解决副产物二氧化硫的污染问题。

蒯世定[3]将生活中常见的细铜丝导线用于实验改进，剥去细铜丝导线外表的塑料皮，将细铜丝松散地绕在一段约30cm长的玻璃棒上，伸入加热产生硫蒸气的试管中，铜丝立即呈红热状态（如图3所示）。该改进实验可观察性较强，避免了铜丝会被硫蒸气粘在试管壁上，但依然没有解决二氧化硫的污染问题。

张涛[4]利用粗短具支试管代替大试管，有利于产生足量的硫蒸气，并连接盛有碱液的烧杯。加热盛有硫粉的具支试管，当试管内产生部分高温硫蒸气后，慢慢将玻璃棒向里推，使铜丝与硫蒸气反应（如图4所示）。该改进实验不仅有效吸收了二氧化硫气体，而且避免了铜丝与试管壁的沾粘。

娄青燕[5]采用套管装置，将铜粉与硫粉混合物平铺于小试管中，然后将小试管塞上石棉绒，再横放入大试管中，大试管则固定在铁架台上呈水平方向，用导管通向氢氧化钠溶液。对准小试管部位加热，即可观察到红热现象（如图5所示）。套管装置保证了实验在相对封闭的环境中进行，避免对空气造成污染。

盛锡铭[6]为避免硫蒸气对视线的干扰，便于控制铜丝伸入的深度，同时防止二氧化硫污染环境，将大试管竖直固定于铁架台上，并将缠有细铜丝的铁丝固定于大试管内，大试管顶部则通过橡胶塞连接装有湿碱石灰的球形干燥管进行实验（如图6所示）。该装置起到了简化实验操作、提高成功率、消除污染的效果。

王建芬等[7]将一束细铜丝缠绕在一根粗铜丝末端，将安全套和蒸馏瓶组装成密闭装置。实验过程中通过朝不同方向扭转安全套，控制铜丝深入试管的深度，以防止加热硫粉时细铜丝被氧化或覆盖一层单质硫。在蒸馏瓶支管处连接盛有干燥脱脂棉和湿碱石灰的球形干燥管，以避免二氧化硫外逸（如图7所示）。该装置构思新颖，设计巧妙，取材容易。

化学工作者通过巧妙的构思、新颖的设计，从不同角度出发，就地取材，改进和创新实验装置，甚至还对反应条件及产物进行分析探讨，取得了较理想的效果。上述改进实验的背后，也還存在一些问题值得思考。有些实验为达到硫与铜的反应和二氧化硫的吸收装置一体化的目的，通常将铜丝或玻璃棒穿嵌在橡胶塞中，再将橡胶塞塞入试管，这样会造成抽拉铜丝较为困难，且在抽拉铜丝的过程中，往往会带出橡胶塞，破坏装置的气密性，造成二氧化硫外逸，影响改进效果。另外铜丝或玻璃棒穿嵌在橡胶塞中不易控制插入试管内的深度，尤其固定铜丝时，更加难以确保铜丝恰好处于高温硫蒸气所处的区域。

另外，部分教师利用自制教具改进此实验，若教具的设计和制作过于复杂繁琐，或反应条件较为苛刻，都会导致教师在实验准备阶段耗时过多，不利于推广。且学生在理解复杂教具制作原理、功能和体验制作过程时，分散了较多精力，加重了认知负担，不利于学生对实验现象的观察和对实验原理的理解，减弱了实验的教学功能。

3 硫与铜反应再改进

化学实验创新设计对培养学生化学学科核心素养、发挥实验育人功能起着重要作用。立足于化学学科基础，分析现有实验的利弊，设计、优化实验方案，对反应条件、实验装置、实验辅助手段等进行创新研究和验证，有利于发展学生运用化学知识和实验方法开展科学探究的能力，培养他们的创新精神和实践能力。

老版本教材和部分已有改进实验中，大多采用了铜丝与高温硫蒸气反应的模式，由于铜丝在试管中预热时间较长，容易造成铜丝表面氧化，且铜丝表面凝结的硫不利于进一步反应。为进一步提升学生的探究和创新能力，师生共同对硫与铜反应实验进行了再改进。本实验用铜粉代替铜丝，改变加料方式，让铜粉自由下落，而硫沸腾产生的蒸气则向上运动，在“对流”过程中铜粉可均匀地分散在硫蒸气中，铜粉与硫蒸气充分接触，提高了反应速率，增强了反应现象的可观察性，达到了简化操作、提高成功率、保护环境等目的。

3.1 实验原理

硫与铜反应主要涉及以下反应及知识：

（1）硫与铜在加热条件下反应生成黑色的硫化亚铜： 2Cu+S△Cu2S;

（2）在加热条件下，硫与空气中氧气反应生成二氧化硫： S+O2△SO2;

（3）副产物二氧化硫可被堿石灰吸收。

3.2 实验主要用品

紫铜粉（800目，网购）、具支试管（内径20mm，长度200mm）、碱石灰、橡皮管、橡胶塞、导管、小试管、干燥管、酒精灯、铁架台等

3.3 实验方法

（1）取一具支试管，装入3g硫粉，于支管处连接一盛有碱石灰的干燥管，以便吸收副产物二氧化硫。

（2）在一小试管内放入2g紫铜粉，通过橡皮管、橡胶塞和导管与具支试管上口相连（如图8所示）。关闭弹簧夹，防止加热初期少量硫进入小试管。

（3）用酒精灯加热硫粉。当硫沸腾产生大量深棕色蒸气时，打开弹簧夹，抬起小试管，使紫铜粉缓缓落入具支试管中与高温硫蒸气反应，并观察现象。

3.4 实验现象