銅與濃硫酸反應(yīng)實驗現(xiàn)象的探究與分析

1、銅與濃硫酸反應(yīng)實驗現(xiàn)象的探究與分析摘要銅與濃硫酸共熱反應(yīng)因兩者的量不同，反應(yīng)時的最終現(xiàn)象不同。若濃硫酸過量時, 主要現(xiàn)象有：銅表面先變黑，形成黑色濁液，隨后又變成白色濁液。銅全部反應(yīng)完后， 靜置，灰白色物質(zhì)沉于管底，所得溶液呈淡藍(lán)色，冷卻至室溫呈無色。反應(yīng)中還伴有 白色煙霧，并有淡黃色物質(zhì)冷凝在管壁。若銅過量，最終得灰白色固體物質(zhì)。由此說 明銅與濃硫酸共熱的反應(yīng)是很復(fù)雜的，且反應(yīng)后所得溶液顏色隨溫度變化而變化。高一新教材P131頁關(guān)于銅與濃硫酸反應(yīng)的實驗敘述是這樣的：“實驗表明，濃硫 酸與銅在加熱時能發(fā)生反應(yīng)，放出能使紫色石蕊試液變紅或使品紅溶液褪色的氣體， 反應(yīng)后生成物的水溶液顯藍(lán)色。說明銅

2、與濃硫酸反應(yīng)時被氧化為Cu2+”。然而該實驗的現(xiàn)象并非這么簡單，且實驗有兩種情況：一種情況是濃硫酸過量。用下列“實驗裝置圖 1”（固定儀器和加熱酒精燈均未畫 出）來完成此實驗。其實驗現(xiàn)象有（按實驗進(jìn)程）：銅與冷的濃硫酸不發(fā)生反應(yīng)，加熱 時隨濃硫酸溫度升高銅絲（或銅片）表面變黑，產(chǎn)生氣泡，細(xì)小黑色顆粒狀物質(zhì)從銅 絲（或銅片）表面進(jìn)入濃硫酸中，形成黑色的懸濁液。隨著加熱溫度繼續(xù)升高（至沸 騰），黑色顆粒狀物質(zhì)與濃硫酸反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成細(xì)小灰白色的顆粒狀物質(zhì)，隨濃硫酸一起 翻滾。在此過程中試管里還產(chǎn)生了大量的白色煙霧，起初部分煙霧在試管上部內(nèi)壁冷 凝析出淡黃色固體物質(zhì)。在持續(xù)加熱濃硫酸（沸騰）時，淡黃色固

3、體物質(zhì)又慢慢消失 了。此間導(dǎo)氣管導(dǎo)出的氣體分別使紫色石蕊試液變紅， 使品紅溶液和KMnO4溶液褪色： 當(dāng)銅全部反應(yīng)后，停止加熱靜置時，試管內(nèi)的煙霧也隨之慢慢消失了，試管中的液體 呈淺藍(lán)色，管底沉積的固體物質(zhì)呈灰白色。繼續(xù)冷卻試管時，溶液顏色慢慢變淺，至 室溫時幾乎無色。將此無色溶液注入盛有少量水的試管中，所得溶液變?yōu)闇\藍(lán)色。再 向殘留有灰白色固體的試管中滴加少量蒸餾水時，所得溶液呈藍(lán)色，試管底部未溶固 體的上層部分呈藍(lán)色，下層仍為灰白色（久置時可變?yōu)樗{(lán)色）。圏斗改試實驗3銅濃硫酸kJ1安全紫色石品紅KMO 4裝置蕊試液溶液溶液NaOH溶液另一種情況是銅過量。用“實驗裝置圖 2” （固定儀器和加

4、熱酒精燈均未畫出） 完成此實驗。為了便于觀察有關(guān)反應(yīng)現(xiàn)象和驗證產(chǎn)物，將細(xì)銅絲一端卷成螺旋狀沒入 濃硫酸中，另一端露置在液面上方（如圖 2所示）。長玻璃導(dǎo)管是讓揮發(fā)的濃硫酸和水 冷凝回流。開始加熱反應(yīng)時的現(xiàn)象與前者相同。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，試管和長導(dǎo)氣 管內(nèi)壁有少量淡黃色固體物質(zhì)凝聚。露置于試管液面上方的光亮銅絲逐漸變黑。一會 兒后試管里的硫酸全部反應(yīng)完，試管里的物質(zhì)變?yōu)榛液谏墓腆w。取出試管中原來露 置液面上變黑的銅絲，將其分別置于盛有一定量濃硫酸和稀硫酸的兩支試管中，震蕩,銅絲表面的黑色物質(zhì)不溶。若將光亮的銅絲在空氣中加熱變黑后，再分別置于盛濃硫 酸和稀硫酸的兩支試管中時，振蕩，發(fā)現(xiàn)置于稀硫

5、酸中的銅表面的黑色物質(zhì)全部溶解， 光亮的銅露出；濃硫酸中的銅表面的黑色物質(zhì)只有部分溶解。有關(guān)實驗現(xiàn)象分析如下：1 硫酸與銅共熱時溶液中先產(chǎn)生黑色物質(zhì)后變成灰白色物質(zhì)的原因濃硫酸與銅共熱反應(yīng)是分步進(jìn)行的，銅先被濃硫酸氧化為黑色的氧化銅，氧化銅 再與硫酸反應(yīng)生成硫酸銅，這是反應(yīng)過程中的主要化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)的方程式為：、亠人CU+H2SO4 （濃） CuO+S6T +H2OCuO+ H2SO4 （濃）CuSO4+ H2O該過程的凈化反應(yīng)可表示為：Cu+2H2SO4 （濃）CuSO4+ SO21 + 2H2O同時反應(yīng)過程中還伴有一些副反應(yīng)，如生成有 CuS、CU2S等黑色物質(zhì)，隨著反應(yīng) 的進(jìn)行，這些物

6、質(zhì)又被濃硫酸氧化生成硫酸銅、二氧化硫、硫等物質(zhì)。其副反應(yīng)有：5Cu+4H2SO4 （濃）3CuSO4+Cu2S+4H2O、亠人Cu2S +2H2SO4 （濃）CuSO4+CuS+ SC2? + 2H2OCuS +2H2SO4 （濃）CuSO4+ SO2 T +S+ 2H2OS +2H2SO4 （濃）3 SO2 T + 2H2O反應(yīng)過程中產(chǎn)生的黑色物質(zhì)是 CuO、Cu2S、CuS等，后來轉(zhuǎn)變?yōu)榛野咨镔|(zhì)是 未溶解于濃硫酸中的CuSO4。2 產(chǎn)生大量白色煙霧及凝聚的淡黃色固體物質(zhì)慢慢消失的原因由于反應(yīng)溶液處于沸騰狀態(tài)（濃硫酸的沸點溫度為338C）,反應(yīng)中生成的水及一定量的硫酸變成蒸氣，因而在試管上

7、方形成了硫酸的酸霧。濃硫酸與銅共熱時的副反 應(yīng)中生成的硫在此溫度下有一部分變成了硫蒸氣從溶液中逸出，硫蒸氣先被冷凝成淡 黃色固體附著在試管壁上。隨著試管內(nèi)溫度的逐漸升高，硫酸蒸氣將凝聚的硫氧化為 二氧化硫而慢慢消失。其反應(yīng)的方程式為：S +2H2SO4 （濃）3 SO2 T + 2H2O3“實驗裝置圖2”試管中露置銅絲變黑的原因“實驗裝置圖2”試管中露置銅絲變黑，既不是被試管中空氣里的氧氣氧化為氧 化銅，也不是被揮發(fā)的硫酸蒸氣氧化為氧化銅。因?qū)嶒炞C明氧化銅能溶于濃硫酸或稀硫酸中（酸霧冷凝的硫酸溶液比濃硫酸的濃度小，氧化銅能溶解其中）。是此，該黑色物質(zhì)是產(chǎn)生的硫蒸氣與銅反應(yīng)生成的硫化亞銅。其反應(yīng)

8、方程式為：S （蒸氣）+2CuCU2S實驗證明該黑色物質(zhì)既不溶于冷的濃硫酸又不溶于稀硫酸，這正是硫化亞銅的性質(zhì)（硫 化亞銅只能被處在咼溫狀態(tài)的濃硫酸氧化）。4. “實驗裝置圖1”中反應(yīng)完畢后所得溶液顏色放置變淺的原因這與Cu2+和水分子的絡(luò)合作用及硫酸的吸水性有關(guān)。當(dāng)溶液溫度較高時，水合硫 酸分子離解，產(chǎn)生了一定數(shù)量的自由水分子，這些自由分子便與Cu2+絡(luò)合為四水絡(luò)銅離子Cu （H20） 42+，并形成絡(luò)合平衡：Cu2+ + 4H20=Cu （H2O） 42+（無色）（藍(lán)色）使溶液呈現(xiàn)藍(lán)色；降溫時硫酸分子吸附水分子的能力增強， 使上述絡(luò)合平衡向左移動， 溶液變?yōu)闊o色。硫酸的水合作用可用式子表示

9、如下：H2SO4 （aq） + n H2O （I）H2SO 4 n H2O （aq）; H 05. 銅過量時濃硫酸全部反應(yīng)完的原因有人認(rèn)為，濃硫酸與過量的銅反應(yīng)終了時，銅和硫酸（變?yōu)橄×蛩幔┒加惺Ｓ唷Ｆ淅碛墒请S反應(yīng)進(jìn)行時，由于硫酸的不斷消耗和水的不斷生成，致使硫酸濃度慢慢減 小，當(dāng)其變成稀硫酸時，銅與稀硫酸不再發(fā)生氧化還原反應(yīng)，是此反應(yīng)停止。上述實 驗表明不會出現(xiàn)這種情況。這是因為濃硫酸中含水的量很少，盡管反應(yīng)過程中有一定 量的水生成（生成的水大部分隨硫酸蒸氣冷凝回流到試管中），但導(dǎo)出的氣體中必有一 定量的水蒸氣隨二氧化硫氣體逸出了，故濃硫酸并未實質(zhì)性變稀，是此，只要有銅存 在時，其氧化還原反

10、應(yīng)就可持續(xù)進(jìn)行下去，直至硫酸全部反應(yīng)完，得到硫酸銅和少量 的氧化銅及硫化銅（硫化亞銅）的灰白色固體混合物。放置時可看到，長導(dǎo)氣管中冷 凝的水還在慢慢向下流動，試管上部內(nèi)壁的無水硫酸銅與之接觸之后發(fā)生水合作用， 生成藍(lán)色的五水合硫酸銅晶體。值得注意的是，濃硝酸與過量的銅反應(yīng)時存在硝酸濃度的量變而引起化學(xué)反應(yīng)的 質(zhì)變問題，這是因為濃硝酸中水的含量超過了 35%，即本身水的量較多。再加之該反 應(yīng)是在通常情況下進(jìn)行的，反應(yīng)中水沒有變成蒸氣逸出。隨反應(yīng)的進(jìn)行硝酸不斷消耗， 硝酸濃度在慢慢減小，變成稀硝酸后，硝酸的還原產(chǎn)物則為NO,化學(xué)反應(yīng)即發(fā)生了質(zhì) 的變化。6.SO2不能使石蕊、甲基橙指示劑褪色的原因?qū)O2持續(xù)通入盛有紫色石蕊試液或甲基橙試液的試管中，試液只會變紅，不會 褪色。這是因為SO2與水作用生成的H2SO3不能與這些物質(zhì)發(fā)生加合作用。SO2是具 有漂白性，但并非對所有的有色物質(zhì)都有漂白性，上述這兩種指示劑就是實例之一。 常見的可被SO2漂白的有色物質(zhì)有品紅