浓硫酸与铜反应的实验探究

高中化学教材必修1（新课标）第四章第四节《氨 硝酸 硫酸》中，为了讲解浓硫酸的氧化性，设计了浓硫酸与铜反应的实验（实验4-9），教材中关于浓硫酸与铜反应的实验是这样叙述的：“我们已经知道，铜不能与酸反应放出H2。但浓硫酸却可以与铜发生氧化还原反应，反应除生成硫酸铜外，还生成二氧化硫和水。”（实验装置及现象如下图-1所示）

一、 提出问题

在实际操作时，试管底部往往有黑色沉淀物，反应所形成的溶液呈灰绿色，加热时间长一些，溶液颜色可变浅。

如果有硫酸铜生成，溶液应该是蓝色，为什么溶液呈灰绿色而且试管底部有黑色物质出现呢？为了达到理想的实验效果并且解释这些现象，我们从反应产物和反应条件两方面着手对浓硫酸与铜的反应做了一些探究。

二、 实验验证

实验仪器：铁架台、酒精灯、大试管、小试管、单孔橡皮塞、双孔橡皮塞、温度计、导管与橡皮管若干；

实验药品：铜丝、铜片、不同浓度的浓硫酸、品红溶液、蒸馏水。

（一） 浓硫酸的浓度对反应的影响

我们先来探究当铜片规格相同、硫酸过量时，浓硫酸浓度对实验的影响。

1．实验过程

【实验1-1】取18.4mol/L浓硫酸3mL置于试管中，向其中放一小块铜片，并用酒精灯加热。

实验现象：开始加热一会儿后产生气泡，在铜片表面有细小黑色颗粒状物质生成并进入浓硫酸中，形成黑色悬浊液。随着温度升高，直至沸腾，黑色颗粒状物质逐渐转变成细小灰白色颗粒状。试管中出现大量白雾，品红溶液褪色。停止加热静置，未反应的铜表面有黑色物质，试管底部沉淀的固体物质呈灰白色，试管中的液体呈灰绿色。继续冷却试管时，溶液的颜色慢慢变浅。将此无色溶液倒入废液缸中，向试管中残留的灰白色固体中加少量蒸馏水，所得溶液呈很浅的蓝色。

【实验1-2】 取16mol/L浓硫酸3mL置于试管中，向其中放一小块铜片，并用酒精灯加热。

实验现象：与【实验1-1】现象相似，但溶液中灰白色沉淀较少，溶液也呈浅蓝色。冷却后溶液仍然为浅蓝色。

【实验1-3】 取14mol/L浓硫酸3mL置于试管中，向其中放一小块铜片，并用酒精灯加热。

实验现象：与【实验1-1】不同的现象是溶液没有变黑，而是直接变为蓝色，试管中也没有灰白色的固体生成。冷却后溶液仍然为蓝色。

【实验1-4】 取12mol/L浓硫酸3mL置于试管中，向其中放一小块铜片，并用酒精灯加热。

实验现象：与【实验1-1】不同的现象是溶液没有变黑，而是直接变为浅蓝色，试管中也没有灰白色的固体生成。冷却后溶液仍然为浅蓝色。

【实验1-5】 取10mol/L浓硫酸3mL置于试管中，向其中放一小块铜片，并用酒精灯加热。

实验现象：溶液没有反应。

2．现象分析

（1）与18.4mol/L浓硫酸反应时，铜的表面为什么有黑色物质生成？而后来试管底部为什么又会出现灰白色物质？

带着这个问题，我们查阅了大学《无机化学基础》，经过分析，得到如下的解释：

浓硫酸与铜反应是分步进行的，铜先被浓硫酸氧化为黑色的氧化铜，氧化铜再与浓硫酸反应生成硫酸铜，在此过程中主要的反应方程式为：

Cu + H2SO4(浓) CuO + SO2 + H2O CuO + H2SO4(浓) Cu SO4 + H2O

总反应方程式可表示为：

2H2SO4(浓)＋Cu CuSO4＋2H2O＋SO2

在发生上述主要反应的同时，还伴随有一些副反应,如有CuS、Cu2S等黑色物质生成,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) 3SO2+ 2H2O

在该反应过程中产生的黑色物质正是CuO 、Cu2S 、CuS、S等，随着反应的进行，这些物质继续被浓硫酸氧化，生成硫酸铜，而其中硫化铜反应不完全，白色的硫酸铜和黑色的硫化铜都很难溶于自由水很少的浓硫酸中，它们混合在一起而呈现为灰白色的不溶物。

在加热时原来被浓硫酸强行吸住的水和二氧化硫一同逸出，从而在试管内形成了白雾。

而生成二氧化硫气体会使铜表面生成的黑色CuO 、Cu2S 、CuS脱落，与黄色的S及淡蓝色的硫酸铜溶液混合在一起，而成为灰绿色浊液。

（2）铜与14mol/L浓硫酸反应时为什么没有出现黑色物质？冷却后溶液的颜色又为什么没有变浅？

14mol/L硫酸中水比较多，部分硫酸可以发生电离，使溶液酸性较强，因此生成的氧化铜能快速溶解，所以我们无法观察到黑色物质的出现。也正是14mol/L硫酸中存在比较多水的原因，冷却后溶液的颜色也就没有变浅。

3．实验小结

在铜片规格相同硫酸过量时，铜最终能被氧化为硫酸铜。硫酸浓度太大，难于使产物溶解，而出现有灰白色沉淀的灰绿色浊液。硫酸浓度太小，使其氧化能力下降，不能将铜氧化生成硫酸铜，而导致现象不明显或不反应。

为使浓硫酸与铜反应达到“生成明显的蓝色溶液并且无浑浊”的效果，应该使用的浓硫酸的适宜的浓度为12mol/L ~ 16mol/L。

（二） 温度对反应的影响

我们再来探究取用18.4mol/L浓硫酸、铜过量时，不同温度对反应的影响。

1．实验过程

【实验2-1】 取18.4mol/L浓硫酸3mL置于试管中，塞住带有温度计的双孔橡皮塞，将浓硫酸加热到150℃左右，撤去酒精灯，将一端卷成螺旋状的铜丝插入浓硫酸中。

实验现象：反应缓慢，溶液中出现细小黑色颗粒，待溶液冷却后过滤，将黑色物质分别加入到水、氨水和稀硫酸中，在氨水中溶解，而在水和稀硫酸中没有溶解，此现象符合Cu2S的性质，证明此黑色物质是Cu2S。

【实验2-2】 取18.4mol/L浓硫酸3mL置于试管中，塞住带有温度计的双孔橡皮塞，将浓硫酸加热到200℃左右，撤去酒精灯，将一端卷成螺旋状的铜丝插入浓硫酸中。

实验现象：反应较快，溶液中出现细小黑色颗粒，品红溶液褪色，待溶液冷却后过滤，将黑色物质分别加入到水、氰化钾溶液中，在氰化钾溶液中溶解了，而在水中没有溶解，此现象符合CuS的性质，证明此黑色物质是CuS。

【实验2-3】取18.4mol/L浓硫酸3mL置于试管中，塞住带有温度计的双孔橡皮塞，将浓硫酸加热到接近沸腾（约338℃），撤去酒精灯，将一端卷成螺旋状的铜丝插入浓硫酸中。

实验现象：反应非常剧烈，溶液中快速生成白色固体和少量细小黑色颗粒，试管上部出现白雾，品红溶液褪色，待溶液冷却后过滤，将白色物质分别加入到适量水中，完全溶解并形成蓝色溶液，此现象符合CuSO4的性质，证明此白色物质是CuSO4。

2．实验小结

为使浓硫酸与铜反应达到“生成明显的蓝色溶液并且无浑浊”的效果，应该采取加热浓硫酸至沸腾，再将铜与浓硫酸接触的方法，这样能生成大量硫酸铜同时副产物较少，稀释后呈现蓝色。

三、 得出结论

综合上述（一）、（二）探究，得出结论：在浓硫酸与铜反应的实验中，使用浓度为12mol/L ~ 16mol/L的浓硫酸，并且采取加热浓硫酸至沸腾，再将铜与浓硫酸接触的方法，能达到最好的演示效果。

四、 探究反思

化学是一门以实验为基础的自然学科，离开了实验则失去了对我们所学化学知识的检验标准，演示实验是我们进行化学教学的最常用手段，也是化学教学的特色。所以，合理的使用演示实验，能让学生直观、生动的感受化学，激发学习化学的兴趣和求知欲，使学生能主动的学习，从而提高教学效率。只是我们应该注意的是，做演示实验不能一味的按课本上的来，这样会抑制教师的创新思维,也可能传达给学生不真实的东西。

不断的钻研教材，深入地探究教材上的实验，才能将客观的事实呈现给学生，同时也是高中化学教师驾驭课堂、提高课堂实验教学能力，提升自身科学素养和培养自身创新思维的必由之路。