-
前述
在高中化学的教学当中，我们势必会学到
硫与硫酸的章节，在这章里面，为了使学生充分了解到硫处于最
高氧化态时的
含氧酸——硫酸的氧化性，都会做金属铜和浓硫酸反应的实验。在这个实
验里面，铜被氧化
体现了浓硫酸的强氧化性，生成
二价铜盐又反映出浓硫酸的强酸性。考试时同学们在描述现象会说：“铜
溶解，产生蓝色溶液以及能够使品红溶液褪色的刺
激性气体。”
当我们实际操作的时候却发现，铜和浓硫
酸反应过后留下了许
多不能解释的黄褐色以至灰色的产物，有时还会
出现黑色的小颗粒，这就与简单的理
想实验描述大相径庭，这些产物到底是什么呢？究竟以怎么样的物
料加入量反应，才能
够使学生直观清晰
地通过实验现象看到他们所要了解的知识呢？
一
实验探究过程
论述将分开笔者实验和文献实验。首先是笔者实验。
笔者采取
18.4mol/L
的浓硫酸
5mL
< br>和一片铜片置于试管内用酒精灯加热，按照课本的要求进行实验，反应
持续有
4min
< br>左
右时试管内反应液沸腾，出现雾状液滴悬浮在管内空间中，另一头连接的品红稀
溶液褪色
(
由鲜艳的粉红变为透明
)
。这证
明产生了二氧化硫，实验的确存在我们期待的产物。试管
内产生了灰黑
色物质，铜尚未完全溶解。待冷却后除去反应装
置，
经过称重，铜溶解了大概三分之二。对灰色物质干燥
以后，笔者提出了自己的猜测。
①
灰黑色物质是硫化亚铜和氧化铜的混合物。
②
灰黑色物质仅仅是铜的硫化物。
③
灰黑色物质可能既有铜氧化物和铜
硫化物，也可能产生了硫单质。
为了验证自己的假设，笔者有
针对性地进行了几个实
验。
(1)
.
用
湿润的玻璃棒沾取少许灰黑色物质放置在塑料点滴板中，
无明显溶解。
(2)
.
以
上面的方法取灰黑色物质在塑料点滴板内，
但固体仍然没有明
显发生溶解。
滴加浓硝酸若干，
经一段时间之后，
产生很淡的二氧化氮
气体，
滴加少许浓盐酸，
等待一段时间后发现固体
(3).
在另一个洁净的试管内加入
5mL
浓硝酸，把剩余的灰黑色物质放入，并用酒精灯加热，片
刻后浓硝酸
沸腾，产生大量红棕色二氧化氮气体，持续加热至
不再有气体产生，逐出管内的残余气体，并以氢氧化钾
溶液吸
收。笔者惊讶地发现，试管中大部分的灰黑色物质都溶解了，且溶液呈现很淡的蓝色。
(4)
?
笔者把
(3)
中所得产物溶液分成几份，其中一份加入硝酸酸化的硝酸钡溶液，
出现白色难溶沉淀。这说明
产生了硫酸根。另一份加入二乙基二硫代氨基甲酸钠①溶液，发现产物溶液出现了浅绿色。又取少量加入
亚铁氰化钾标液，
出现深红色溶液。这有
力地证明产生了铜离子。
基于上述实验，可以判断的确产生了
铜硫化物，至于硫和铜氧化物是否产生，这实在是阙疑。
下面
是文献实验。二
0
—
0
年第六期《学园》杂志刊登了甘肃省永昌县第一高级中学曹万宝老师的文章，
文章即对于铜与浓
硫酸反应的异常产物进行了一个相对较为周密
和科学的探究。他的实验步骤大体如下。
(1).18.4m
ol/L
的浓硫酸
3mL
和一小片铜片
置于试管内用酒精灯加热，最后铜片基本溶解，产生白色乳浊液
状物，铜片变
黑。取出少量白色产物至另一个容器内，
产生深红色沉淀，这说明是有铜盐生成。
⑵
.
取出铜片，刮下表面黑色物质，加水溶解，发现无明显
溶解，加入硫酸，发现铜片溶解，以此证明产生
了氧化铜。
(3)
?
取
出反应试管内黑白相间的物质，加入氰化钾溶液，黑色物质全部溶解②，再加入亚硝酰铁氰化钠，溶
液显淡紫色，说
明有硫离子，由此可说明浓硫酸和
铜能产生硫化铜。
依据以上事实，曹万宝认为，可以判定产生
了硫酸铜、硫化铜和氧化铜等物质，这些产物导致了反应后溶
液颜色的怪异。他还认为，由于整个反应是在大体非水的环境下进行的，浓硫酸具有吸水性和生成的水都
随着二氧化硫逸
出，生成的硫酸铜几乎没有溶
解，仍以无水状态存在，甚至体系内还有硫化亚铜产生。
总的
来说，他所确定的产物有氧化铜、硫酸铜、硫化铜、硫化亚铜。
加入适量水振荡，白色产物溶解，加入亚铁氰化钾，
反应体系的化学变化可以通过下面的方程式描述：
Cu + 2H
2
SO^
(
诫
)
△
C11SO4 + SO
2
t +
2H
：
O
Ciw
< br>(
浓
)
金
60
訂
十
HQ
5Cu + 6H
2
SO<
(
=
4C
U
SO
4
+ G1S + SO
：
t
+
6H
：
O
另
外，笔者还查阅了与此相关的报道，如二
00
九年第十期的《化
学教育》刊物上就登载了北京人民大学
附属中学王春老师
的有关文章。
该文章从异常现象分析、反应物的最佳用量和最佳合理装置等方面对新教材中铜与浓硫酸的反
应进行了探
究，取得了较为理
想的实
验结果。王春老师还以大学教材《无机化学基础》中的表格，来详实有力地说明
了浓硫酸和金属铜反应的可能产物以及产生种种不能解释的现象的原因。
异常现软
相矣解释
温度在
10
。匸左右
5Cv
+
C
浓
)<
/p>
—
CiisfS
4
2
+
4H
；
O
温度高于
laor
A
Cu-b
=
—
CuSO4
+
SC
)
a
f
+
2H
；
O
L
黑色沉龊产生
Cu
2
S+
2H2SO4
>
—
< br>CuSO
4
*
CuS
1
SOi t +2H,O
CuS
1-
2H
；
SC)j
-l-SOi
f
-f
S
+
2H
Z
O
<
/p>
在加热过程申除了产生理惣的
CuSCh
外
.
会
生成
(
以汛
SS
及
S
竽杂质，这邂杂质的颜色
会掩
盖
CuS(
)
4<
/p>
的嚴色
异常现象
相黄解釋
Z
溶贩圭聚
绿
5()2
气休逸出的同时
随着铜片上的
C
UJ
S.
C
U
S
傅色
色
沉淀掉落?与淡黄色固体少眾蔽色
C
uSCh
木令物偃
舍
?
调和成翟绿色浊眩
在犹续加热的过程中
.
玻硫酸缝续氧化
Cu
2<
/p>
S. CuS
及
S
等物质’故实验初徉到的浊液逐渐变攏
清。管
3-
有白雾及
蕨
内白霉足讯被法硫酸强行吸住的水分
(
水
合
硫酸八因
白周怵
产
牛
温度
过高而变成水鹽气
.
与
S(h
同
时逸岀
*
在管内形
成白霉■生成的白色
Ci
】
SO
』夹
杂少许术反应完
的黑色
C
勒
缶故址尿门色
二
合
< br>理
的
实
验
展
根
据
上
面
的
探
究
我
们
可
以
发
现
，
铜
和
浓
硫
酸
的
< br>反
应
绝
不
是
单
一
的
，
它
伴
随
了
很
多
的
副
反
应
，
示
有
的
时
候
< br>副
反
应的产物甚至可以屏蔽主反应的产物，造成观察的不便，这就
引出了下一个问题，究竟如何控制反应，使
得观察更加方便和直观呢？
首先我们
需要了解一个问题，即多少浓度的硫酸才可以将铜氧化。
《实
验教学研究》二
00
八年第二期中
<
/p>
小学实验与设装备刊登了一篇文章，是关于铜和浓硫酸反应的演示实验阐发的探究和反思，
其中提到了，
经过实践，大约浓
度在
11mol/L
及以上的硫酸才可以将铜氧化，这个浓度事实上也相当于浓硫
酸了。在另
一篇遵义师范学院学报上刊登的文章
上通过实验表明了浓度为
见的溶解。且大概在硫酸浓度达到
(
2
)
。
70
%
及以上的硫酸，才可以使铜发生肉眼
可
80
%
左
右，反应后不会产生黑色颗粒，恰好可以看到蓝色溶液。如下图
50
60
70
无色
淡蓝色
L
无色
M
无
无
无
t/min
5*0
5.0
45
CJ%
75
80
85
90
95
蓝色
蓝色
蓝色
蓝黑色
蓝黑色
无
无
少许
多
大量
L5
4
心
3.0
2.5
2.0
注
;
C
一硫
酸的灌度山一溶液的颜色
;
M-
黑色固
体
;
I
品红试纸褪色所需时
间，下同口
C/%
L
M
t/min
72
74
淡蓝色
无
无
45
4.0
76
&4
78
80
82
淡蓝色蓝色蓝色
蓝色
蓝黑色
无
无
无
很少
少许
15
3.5
3.0
3.0
2S
不仅是硫酸浓度，铜片的质量也影响到了观察效果。我们所看到的各种铜的氧化产物大都
是因为过量的铜
所导致的，当然也不是铜的质量越小越好，根
据文献上的实验证明，铜的质量在
在这个质量下，与
图
(
3
)
。
0.50g
时，最为适宜。铜
98
浓硫酸③反应，所产生的气体足够我们观察检验，同时溶液的蓝色
也比较明显，如
9&
勺％
浓
钢片质量
开始加始歪气体
组别
停止力
B
魁后冥验现象
放岀时
fij/min
①
5,0
②
-
----------------
1
5,0
1
1
帑鍍总浅黑色，冇
灰白色沉謎
L
00
2. 0
溶液呈浅灰色，有
班
白色沉淀
瞎液呈浅戡色
+
育
少
獻灰白色沉淀
溶液呈浅蓝色，
4
少
毘灰白色沉淀
藩酸呈枝蓝色，有
少
駅庆白色沉淀
③
5H
0. 50
2.0
④
5.0
0.
20
2. 0
⑤
5,0
a
io
監
0
对于
98
硫酸的体积在反应中的影响，实验
表明硫酸体积增加的话，副反应也在增多，但不意味着硫酸越
少副反应就越少，硫
酸过少，产生气体的体积和速率将会变小，如图（
< br>
5.0mL
。
4
）
,
可以看出最合适的硫
酸体积是
98.
诫
碱
铜片质滋
开始加热至％体
组别
故岀时间
/min
酸
AnL
/g
停止加热后实验现較
1
2.0
0. 50
落液呈浅黑色，有
尿占鱼沉淀
落液呈浅
灰色
V
灰白
色沉淀
柠腋呈浅蛊色，有
少
量灰白色沉淀
翳液呈浅蓝色?宵
少
塾灰出色沉淀
溶液呈浅蓝色，
有
少
量状白色沉淀
0. 50
L75
③
5
?
0
0. 50
2.0
④
6.0
0. 50
3-0
⑤
0
?
50
4.0
另外，需要注意的是，一个实
验成功与否，不仅是反应物本身，还有一个至关重要的条件一一反应装置。
反应装置对于一个
化学反应的完成起到了重要的作用。教科书上面的反应装
置显然不适合环保的观念。因
为我们无法控制产气速率和产气
量，
而试管口是开放的，这样一来势必污染空气，即使在试管口塞上浸透
氢氧化钠溶液的棉花，也不能有效阻止污染气体的排
放。这是一点，其次是这个反应很大程度上取决于接
触，直接
把铜浸没在硫酸里面，会反应到底，产生大量污染气体，也影
响观察。如下图所示的常规
装置。