【实验报告】关于铜和浓硫酸反应的探究与改进
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，滴加少许浓盐酸，等待一段时间后发现固体无明显溶解。
(2).以上面的方法取灰黑色物质在塑料点滴板内，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，但固体仍然没有明显发生溶解。
(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。二〇一〇年第六期《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).18.4mol/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，加入适量水振荡，白色产物溶解，加入亚铁氰化钾，产生深红色沉淀，这说明是有铜盐生成。
(2).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。
反应体系的化学变化可以通过下面的方程式描述：
另外，笔者还查阅了与此相关的报道，如二〇〇九年第十期的《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。
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，滴加少许浓盐酸，等待一段时间后发现固体无明显溶解。
(2).以上面的方法取灰黑色物质在塑料点滴板内，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，但固体仍然没有明显发生溶解。
(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。二〇一〇年第六期《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).18.4mol/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，加入适量水振荡，白色产物溶解，加入亚铁氰化钾，产生深红色沉淀，这说明是有铜盐生成。
(2).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。
反应体系的化学变化可以通过下面的方程式描述：
另外，笔者还查阅了与此相关的报道，如二〇〇九年第十期的《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。
二 合理的实验展示
根据上面的探究我们可以发现，铜和浓硫酸的反应绝不是单一的，它伴随了很多的副反应，有的时候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》二〇〇八年第二期中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70％及以上的硫酸，才可以使铜发生肉眼可见的溶解。且大概在硫酸浓度达到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（2）。
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0.50g时，最为适宜。铜在这个质量下，与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，如图（3）。
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（4），可以看出最合适的硫酸体积是5.0mL。
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——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。
为此，可以采取如下图的装置：
铜丝是可以被抽动的。
王春老师还设计了一种反应装置，这个装置有几大新颖的特点。一是在反应试管内装配一个玻璃纤维罩，以吸附反应时产生的各种铜硫化物和黑色氧化物，二是以湿润的品红试纸代替品红溶液，见效更快。末端尾气以氢氧化钠溶液吸收，更加环保。如下图。
根据上面的探究我们可以发现，铜和浓硫酸的反应绝不是单一的，它伴随了很多的副反应，有的时候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》二〇〇八年第二期中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70％及以上的硫酸，才可以使铜发生肉眼可见的溶解。且大概在硫酸浓度达到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（2）。
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0.50g时，最为适宜。铜在这个质量下，与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，如图（3）。
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（4），可以看出最合适的硫酸体积是5.0mL。
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——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。
为此，可以采取如下图的装置：
铜丝是可以被抽动的。
王春老师还设计了一种反应装置，这个装置有几大新颖的特点。一是在反应试管内装配一个玻璃纤维罩，以吸附反应时产生的各种铜硫化物和黑色氧化物，二是以湿润的品红试纸代替品红溶液，见效更快。末端尾气以氢氧化钠溶液吸收，更加环保。如下图。
三 附加内容
二氧化硫可以和品红反应是众所周知的。这也被用作于检验二氧化硫的存在。这个反应的机理是品红中含有不饱和的双键，二氧化硫与之加成使其饱和，生成物并不稳定，故而这个反应是可逆的。如下图：
这次的探究最大的启示是，不论看上去多么简单的两种物质发生反应，都具有同样难以捉摸的美丽的地方存在。这也是化学的魅力之处。
注释
①即铜试剂，与铜离子生成灰绿色沉淀。
②氰根具有强效配位能力，促使了难溶物硫化铜的溶解。
③98硫酸指的是浓度在98.3％的硫酸，即一般实验室储备的浓硫酸，是一种共沸物。
二氧化硫可以和品红反应是众所周知的。这也被用作于检验二氧化硫的存在。这个反应的机理是品红中含有不饱和的双键，二氧化硫与之加成使其饱和，生成物并不稳定，故而这个反应是可逆的。如下图：
这次的探究最大的启示是，不论看上去多么简单的两种物质发生反应，都具有同样难以捉摸的美丽的地方存在。这也是化学的魅力之处。
注释
①即铜试剂，与铜离子生成灰绿色沉淀。
②氰根具有强效配位能力，促使了难溶物硫化铜的溶解。
③98硫酸指的是浓度在98.3％的硫酸，即一般实验室储备的浓硫酸，是一种共沸物。
参考文献：
《铜与浓硫酸反应的实验探索》，遵义师范学院学报，2010年2月，第12卷第1期；
《由铜与浓硫酸反应的演示实验所引发的探究与反思》，实验教学研究，2008年第2期中小学实验与设装备；
《铜与浓硫酸反应的实验探究与改进》，化学教育，2009年第10期；
《对浓硫酸与铜反应实验的深入探究》，学园，2010年第6期。
《铜与浓硫酸反应的实验探索》，遵义师范学院学报，2010年2月，第12卷第1期；
《由铜与浓硫酸反应的演示实验所引发的探究与反思》，实验教学研究，2008年第2期中小学实验与设装备；
《铜与浓硫酸反应的实验探究与改进》，化学教育，2009年第10期；
《对浓硫酸与铜反应实验的深入探究》，学园，2010年第6期。