答:銅逐漸溶解,有氣泡生成,產(chǎn)生的氣體能使紫色石蕊變紅或品紅溶液褪色.溶液冷卻后稀釋呈藍(lán)色.
說明:實(shí)際銅與濃硫酸反應(yīng)現(xiàn)象非常復(fù)雜,至今學(xué)術(shù)界仍在討論.對(duì)于中學(xué)生來說,掌握上面敘述就完全可以了.如果感興趣,可以閱讀下面內(nèi)容(警告:對(duì)高考來說全無用處!)
銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)的最終現(xiàn)象不同.若濃硫酸過量時(shí),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.
[關(guān)鍵詞] 銅 濃硫酸 共熱反應(yīng) 現(xiàn)象 原因
高一新教材P131頁關(guān)于銅與濃硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)敘述是這樣的：“實(shí)驗(yàn)表明,濃硫酸與銅在加熱時(shí)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.說明銅與濃硫酸反應(yīng)時(shí)被氧化為Cu2+”.
然而該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象并非這么簡(jiǎn)單,且實(shí)驗(yàn)有兩種情況：
一種情況是濃硫酸過量.用下列“實(shí)驗(yàn)裝置圖1”（固定儀器和加熱酒精燈均未畫出）來完成此實(shí)驗(yàn).其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有（按實(shí)驗(yàn)進(jìn)程）：銅與冷的濃硫酸不發(fā)生反應(yīng),加熱時(shí)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?jī)?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(shí),淡黃色固體物質(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(shí),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(shí),溶液顏色慢慢變淺,至室溫時(shí)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(shí),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(shí)可變?yōu)樗{(lán)色）.
NaOH溶液 銅 濃硫酸 安全 紫色石 品紅 KMO4 NaOH 銅 濃硫酸
裝置 蕊試液 溶液 溶液 溶液
實(shí)驗(yàn)裝置圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖2
另一種情況是銅過量.用“實(shí)驗(yàn)裝置圖2” （固定儀器和加熱酒精燈均未畫出）完成此實(shí)驗(yàn).為了便于觀察有關(guān)反應(yīng)現(xiàn)象和驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)的現(xiàn)象與前者相同.隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行,試管和長(zhǎng)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(huì)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(shí),振蕩,發(fā)現(xiàn)置于稀硫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.
從上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來看,教材中描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是過于簡(jiǎn)單,容易引起學(xué)生形成一些模糊認(rèn)識(shí).是此教者在教學(xué)中可做對(duì)比實(shí)驗(yàn),并示其學(xué)生掌握知識(shí)的情況作適當(dāng)?shù)姆治鼋淮?一是澄清學(xué)生中產(chǎn)生的模糊認(rèn)識(shí),使之準(zhǔn)確理解；二是供一部分學(xué)有余力的學(xué)生和興趣愛好者在課外進(jìn)行研究性學(xué)習(xí).
有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析如下：
硫酸與銅共熱時(shí)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：
Cu+H2SO4（濃） CuO+SO2↑+H2O
CuO+ H2SO4（濃） CuSO4+ H2O
該過程的凈化反應(yīng)可表示為：
Cu+2H2SO4（濃） CuSO4+ SO2↑+ 2H2O
同時(shí)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
Cu2S +2H2SO4（濃） CuSO4+CuS+ SO2↑+ 2H2O
CuS +2H2SO4（濃） CuSO4+ SO2↑+S+ 2H2O
S +2H2SO4（濃） 3 SO2↑+ 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.
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(diǎn)溫度為338℃）,反應(yīng)中生成的水及一定量的硫酸變成蒸氣,因而在試管上方形成了硫酸的酸霧.濃硫酸與銅共熱時(shí)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↑+ 2H2O
3．“實(shí)驗(yàn)裝置圖2”試管中露置銅絲變黑的原因
“實(shí)驗(yàn)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?yàn)證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)方程式為：
S（蒸氣） +2Cu Cu2S
實(shí)驗(yàn)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高溫狀態(tài)的濃硫酸氧化）.
4.“實(shí)驗(yàn)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(shí),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（H2O）4]2＋｝,并形成絡(luò)合平衡：
Cu2＋＋4H20 [Cu（H2O）4]2＋
（無色） （藍(lán)色）
使溶液呈現(xiàn)藍(lán)色；降溫時(shí)硫酸分子吸附水分子的能力增強(qiáng),使上述絡(luò)合平衡向左移動(dòng),溶液變?yōu)闊o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.銅過量時(shí)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(shí),銅和硫酸（變?yōu)橄×蛩幔┒加惺Ｓ?其理由是隨反應(yīng)進(jìn)行時(shí),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(shí),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(shí)驗(yàn)表明不會(huì)出現(xiàn)這種情況.這是因?yàn)闈饬蛩嶂泻牧亢苌?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(shí)質(zhì)性變稀,是此,只要有銅存在時(shí),其氧化還原反應(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(shí)可看到,長(zhǎng)導(dǎo)氣管中冷凝的水還在慢慢向下流動(dòng),試管上部?jī)?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(shí)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?yàn)闈庀跛嶂兴暮砍^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
將SO2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(huì)變紅,不會(huì)褪色.這是因?yàn)镾O2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(duì)所有的有色物質(zhì)都有漂白性,上述這兩種指示劑就是實(shí)例之一.常見的可被SO2漂白的有色物質(zhì)有品紅溶液、藍(lán)色墨水、天然纖維素中含有的一些有色物質(zhì)（如草帽辮、紙漿）等,這些漂白的機(jī)理均與SO2與水作用生成H2SO3有關(guān),即H2SO3能與這些有色物質(zhì)發(fā)生加合作用,使之褪色.SO2使另一類物質(zhì)褪色值得注意,即SO2能使紫色KMnO4溶液褪色,能使溴水、碘水褪色,能使Fe3＋的溶液褪色,這些“漂白”均屬于氧化還原反應(yīng)所致.
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