铜与浓硫酸反应实验现象的探究与分析

     段昌平 杜元珍 任建华 吴洁

   武汉市黄陂一中(430300)

[摘要]铜与浓硫酸共热反应因两者的量不同，反应时的最终现象不同。若浓硫酸过量时，主要现象有：铜表面先变黑，形成黑色浊液，随后又变成白色浊液。铜全部反应完后，静置，灰白色物质沉于管底，所得溶液呈淡蓝色，冷却至室温呈无色。反应中还伴有白色烟雾，并有淡黄色物质冷凝在管壁。若铜过量，最终得灰白色固体物质。由此说明铜与浓硫酸共热的反应是很复杂的，且反应后所得溶液颜色随温度变化而变化。

[关键词] 铜  浓硫酸  共热反应  现象  原因

    高一新教材P131页关于铜与浓硫酸反应的实验叙述是这样的："实验表明，浓硫酸与铜在加热时能发生反应，放出能使紫色石蕊试液变红或使品红溶液褪色的气体，反应后生成物的水溶液显蓝色。说明铜与浓硫酸反应时被氧化为Cu²⁺"。

    然而该实验的现象并非这么简单，且实验有两种情况：

   一种情况是浓硫酸过量。用下列"实验装置图1"（固定仪器和加热酒精灯均未画出）来完成此实验。其实验现象有（按实验进程）：铜与冷的浓硫酸不发生反应，加热时随浓硫酸温度升高铜丝（或铜片）表面变黑，产生气泡，细小黑色颗粒状物质从铜丝（或铜片）表面进入浓硫酸中，形成黑色的悬浊液。随着加热温度继续升高（至沸腾），黑色颗粒状物质与浓硫酸反应，转变成细小灰白色的颗粒状物质，随浓硫酸一起翻滚。在此过程中试管里还产生了大量的白色烟雾，起初部分烟雾在试管上部内壁冷凝析出淡黄色固体物质。在持续加热浓硫酸（沸腾）时，淡黄色固体物质又慢慢消失了。此间导气管导出的气体分别使紫色石蕊试液变红，使品红溶液和KMnO₄溶液褪色。当铜全部反应后，停止加热静置时，试管内的烟雾也随之慢慢消失了，试管中的液体呈浅蓝色，管底沉积的固体物质呈灰白色。继续冷却试管时，溶液颜色慢慢变浅，至室温时几乎无色。将此无色溶液注入盛有少量水的试管中，所得溶液变为浅蓝色。再向残留有灰白色固体的试管中滴加少量蒸馏水时，所得溶液呈蓝色，试管底部未溶固体的上层部分呈蓝色，下层仍为灰白色（久置时可变蓝） 

    另一种情况是铜过量。用"实验装置图2" （固定仪器和加热酒精灯均未画出）完成此实验。为了便于观察有关反应现象和验证产物，将细铜丝一端卷成螺旋状没入浓硫酸中，另一端露置在液面上方（如图2所示）。长玻璃导管是让挥发的浓硫酸和水冷凝回流。开始加热反应时的现象与前者相同。随着反应的不断进行，试管和长导气管内壁有少量淡黄色固体物质凝聚。露置于试管液面上方的光亮铜丝逐渐变黑。一会儿后试管里的硫酸全部反应完，试管里的物质变为灰黑色的固体。取出试管中原来露置液面上变黑的铜丝，将其分别置于盛有一定量浓硫酸和稀硫酸的两支试管中，震荡，铜丝表面的黑色物质不溶。若将光亮的铜丝在空气中加热变黑后，再分别置于盛浓硫酸和稀硫酸的两支试管中时，振荡，发现置于稀硫酸中的铜表面的黑色物质全部溶解，光亮的铜露出；浓硫酸中的铜表面的黑色物质只有部分溶解。

    从上述实验现象来看，教材中描述的实验现象是过于简单，容易引起学生形成一些模糊认识。是此教者在教学中可做对比实验，并示其学生掌握知识的情况作适当的分析交待，一是澄清学生中产生的模糊认识，使之准确理解；二是供一部分学有余力的学生和兴趣爱好者在课外进行研究性学习。

有关实验现象分析如下：

• 1．硫酸与铜共热时溶液中先产生黑色物质后变成灰白色物质的原因

浓硫酸与铜共热反应是分步进行的，铜先被浓硫酸氧化为黑色的氧化铜，氧化铜再与硫酸反应生成硫酸铜，这是反应过程中的主要化学反应，其反应的方程式为：

Cu+H₂SO₄（浓）-- CuO+SO₂↑+H₂O

CuO+ H₂SO₄（浓）-- CuSO₄+ H₂O

该过程的净化反应可表示为：

       Cu+2H₂SO₄（浓） CuSO₄+ SO₂↑+ 2H₂O

同时反应过程中还伴有一些副反应，如生成有CuS﹑Cu₂S等黑色物质，随着反应的进行，这些物质又被浓硫酸氧化生成硫酸铜﹑二氧化硫﹑硫等物质。其副反应有：

5Cu+4H₂SO₄（浓）--  3CuSO₄+Cu₂S+4H₂O

Cu₂S +2H₂SO₄（浓）- CuSO₄+CuS+ SO₂↑+ 2H₂O

CuS +2H₂SO₄（浓） --CuSO₄+ SO₂↑+S+ 2H₂O

S +2H₂SO₄（浓）-- 3 SO₂↑+ 2H₂O

反应过程中产生的黑色物质是CuO ﹑Cu₂S ﹑CuS等，后来转变为灰白色物质是未溶解于浓硫酸中的CuSO₄。

• 2．产生大量白色烟雾及凝聚的淡黄色固体物质慢慢消失的原因

由于反应溶液处于沸腾状态（浓硫酸的沸点温度为338℃），反应中生成的水及一定量的硫酸变成蒸气，因而在试管上方形成了硫酸的酸雾。浓硫酸与铜共热时的副反应中生成的硫在此温度下有一部分变成了硫蒸气从溶液中逸出，硫蒸气先被冷凝成淡黄色固体附着在试管壁上。随着试管内温度的逐渐升高，硫酸蒸气将凝聚的硫氧化为二氧化硫而慢慢消失。其反应的方程式为：

S +2H₂SO₄（浓）-- 3 SO₂↑+ 2H₂O

3．"实验装置图2"试管中露置铜丝变黑的原因

"实验装置图2"试管中露置铜丝变黑，既不是被试管中空气里的氧气氧化为氧化铜，也不是被挥发的硫酸蒸气氧化为氧化铜。因实验证明氧化铜能溶于浓硫酸或稀硫酸中（酸雾冷凝的硫酸溶液比浓硫酸的浓度小，氧化铜能溶解其中）。是此，该黑色物质是产生的硫蒸气与铜反应生成的硫化亚铜。其反应方程式为：

S（蒸气） +2Cu -- Cu₂S

实验证明该黑色物质既不溶于冷的浓硫酸又不溶于稀硫酸，这正是硫化亚铜的性质（硫化亚铜只能被处在高温状态的浓硫酸氧化）。

4."实验装置图1"中反应完毕后所得溶液颜色放置变浅的原因

    这与Cu^2＋和水分子的络合作用及硫酸的吸水性有关。当溶液温度较高时，水合硫酸分子离解，产生了一定数量的自由水分子，这些自由分子便与Cu^2＋络合为四水络铜离子｛[Cu（H₂O）₄]^2＋｝，并形成络合平衡：

Cu^2＋＋4H₂0 --[Cu（H₂O）₄]^2＋

（无色）            （蓝色）

使溶液呈现蓝色；降温时硫酸分子吸附水分子的能力增强，使上述络合平衡向左移动，溶液变为无色。硫酸的水合作用可用式子表示如下：

H₂SO₄（aq）＋ n H₂0（l）-- H₂SO₄·nH₂0（aq）；△H < 0

5.铜过量时浓硫酸全部反应完的原因

有人认为，浓硫酸与过量的铜反应终了时，铜和硫酸（变为稀硫酸）都有剩余。其理由是随反应进行时，由于硫酸的不断消耗和水的不断生成，致使硫酸浓度慢慢减小，当其变成稀硫酸时，铜与稀硫酸不再发生氧化还原反应，是此反应停止。上述实验表明不会出现这种情况。这是因为浓硫酸中含水的量很少，尽管反应过程中有一定量的水生成（生成的水大部分随硫酸蒸气冷凝回流到试管中），但导出的气体中必有一定量的水蒸气随二氧化硫气体逸出了，故浓硫酸并未实质性变稀，是此，只要有铜存在时，其氧化还原反应就可持续进行下去，直至硫酸全部反应完，得到硫酸铜和少量的氧化铜及硫化铜（硫化亚铜）的灰白色固体混合物。放置时可看到，长导气管中冷凝的水还在慢慢向下流动，试管上部内壁的无水硫酸铜与之接触之后发生水合作用，生成蓝色的五水合硫酸铜晶体。

    值得注意的是，浓硝酸与过量的铜反应时存在硝酸浓度的量变而引起化学反应的质变问题，这是因为浓硝酸中水的含量超过了35％，即本身水的量较多。再加之该反应是在通常情况下进行的，反应中水没有变成蒸气逸出。随反应的进行硝酸不断消耗，硝酸浓度在慢慢减小，变成稀硝酸后，硝酸的还原产物则为NO，化学反应即发生了质的变化。

6.SO₂不能使石蕊、甲基橙指示剂褪色的原因

    将SO₂持续通入盛有紫色石蕊试液或甲基橙试液的试管中，试液只会变红，不会褪色。这是因为SO₂与水作用生成的H₂SO₃不能与这些物质发生加合作用。SO₂是具有漂白性，但并非对所有的有色物质都有漂白性，上述这两种指示剂就是实例之一。常见的可被SO₂漂白的有色物质有品红溶液、蓝色墨水、天然纤维素中含有的一些有色物质（如草帽辫、纸浆）等，这些漂白的机理均与SO₂与水作用生成H₂SO₃有关，即H₂SO₃能与这些有色物质发生加合作用，使之褪色。