硫酸鹽冷法實驗為什麼沒有顏色

A. 濃硫酸與銅反應觀察到溶液變黑 銅片表面變黑是為什麼

答:銅逐漸溶解,有氣泡生成,產生的氣體能使紫色石蕊變紅或品紅溶液褪色.溶液冷卻後稀釋呈藍色.

說明:實際銅與濃硫酸反應現象非常復雜,至今學術界仍在討論.對於中學生來說,掌握上面敘述就完全可以了.如果感興趣,可以閱讀下面內容(警告:對高考來說全無用處!!!)

銅與濃硫酸反應實驗現象的探究與分析

[摘要]銅與濃硫酸共熱反應因兩者的量不同，反應時的最終現象不同。若濃硫酸過量時，主要現象有：銅表面先變黑，形成黑色濁液，隨後又變成白色濁液。銅全部反應完後，靜置，灰白色物質沉於管底，所得溶液呈淡藍色，冷卻至室溫呈無色。反應中還伴有白色煙霧，並有淡黃色物質冷凝在管壁。若銅過量，最終得灰白色固體物質。由此說明銅與濃硫酸共熱的反應是很復雜的，且反應後所得溶液顏色隨溫度變化而變化。

[關鍵詞] 銅 濃硫酸 共熱反應 現象 原因

高一新教材P131頁關於銅與濃硫酸反應的實驗敘述是這樣的：「實驗表明，濃硫酸與銅在加熱時能發生反應，放出能使紫色石蕊試液變紅或使品紅溶液褪色的氣體，反應後生成物的水溶液顯藍色。說明銅與濃硫酸反應時被氧化為Cu2+」。
然而該實驗的現象並非這么簡單，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。其實驗現象有（按實驗進程）：銅與冷的濃硫酸不發生反應，加熱時隨濃硫酸溫度升高銅絲（或銅片）表面變黑，產生氣泡，細小黑色顆粒狀物質從銅絲（或銅片）表面進入濃硫酸中，形成黑色的懸濁液。隨著加熱溫度繼續升高（至沸騰），黑色顆粒狀物質與濃硫酸反應，轉變成細小灰白色的顆粒狀物質，隨濃硫酸一起翻滾。在此過程中試管里還產生了大量的白色煙霧，起初部分煙霧在試管上部內壁冷凝析出淡黃色固體物質。在持續加熱濃硫酸（沸騰）時，淡黃色固體物質又慢慢消失了。此間導氣管導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。當銅全部反應後，停止加熱靜置時，試管內的煙霧也隨之慢慢消失了，試管中的液體呈淺藍色，管底沉積的固體物質呈灰白色。繼續冷卻試管時，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，所得溶液變為淺藍色。再向殘留有灰白色固體的試管中滴加少量蒸餾水時，所得溶液呈藍色，試管底部未溶固體的上層部分呈藍色，下層仍為灰白色（久置時可變為藍色）。

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
實驗裝置圖1 實驗裝置圖2

另一種情況是銅過量。用「實驗裝置圖2」 （固定儀器和加熱酒精燈均未畫出）完成此實驗。為了便於觀察有關反應現象和驗證產物，將細銅絲一端捲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）。長玻璃導管是讓揮發的濃硫酸和水冷凝迴流。開始加熱反應時的現象與前者相同。隨著反應的不斷進行，試管和長導氣管內壁有少量淡黃色固體物質凝聚。露置於試管液面上方的光亮銅絲逐漸變黑。一會兒後試管里的硫酸全部反應完，試管里的物質變為灰黑色的固體。取出試管中原來露置液面上變黑的銅絲，將其分別置於盛有一定量濃硫酸和稀硫酸的兩支試管中，震盪，銅絲表面的黑色物質不溶。若將光亮的銅絲在空氣中加熱變黑後，再分別置於盛濃硫酸和稀硫酸的兩支試管中時，振盪，發現置於稀硫酸中的銅表面的黑色物質全部溶解，光亮的銅露出；濃硫酸中的銅表面的黑色物質只有部分溶解。
從上述實驗現象來看，教材中描述的實驗現象是過於簡單，容易引起學生形成一些模糊認識。是此教者在教學中可做對比實驗，並示其學生掌握知識的情況作適當的分析交待，一是澄清學生中產生的模糊認識，使之准確理解；二是供一部分學有餘力的學生和興趣愛好者在課外進行研究性學習。

有關實驗現象分析如下：
硫酸與銅共熱時溶液中先產生黑色物質後變成灰白色物質的原因
濃硫酸與銅共熱反應是分步進行的，銅先被濃硫酸氧化為黑色的氧化銅，氧化銅再與硫酸反應生成硫酸銅，這是反應過程中的主要化學反應，其反應的方程式為：
Cu+H2SO4（濃） CuO+SO2↑+H2O
CuO+ H2SO4（濃） CuSO4+ H2O
該過程的凈化反應可表示為：
Cu+2H2SO4（濃） CuSO4+ SO2↑+ 2H2O
同時反應過程中還伴有一些副反應，如生成有CuS、Cu2S等黑色物質，隨著反應的進行，這些物質又被濃硫酸氧化生成硫酸銅、二氧化硫、硫等物質。其副反應有：
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
反應過程中產生的黑色物質是CuO 、Cu2S 、CuS等，後來轉變為灰白色物質是未溶解於濃硫酸中的CuSO4。
產生大量白色煙霧及凝聚的淡黃色固體物質慢慢消失的原因
由於反應溶液處於沸騰狀態（濃硫酸的沸點溫度為338℃），反應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。濃硫酸與銅共熱時的副反應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。其反應的方程式為：
S +2H2SO4（濃） 3 SO2↑+ 2H2O
3．「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，也不是被揮發的硫酸蒸氣氧化為氧化銅。因實驗證明氧化銅能溶於濃硫酸或稀硫酸中（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，該黑色物質是產生的硫蒸氣與銅反應生成的硫化亞銅。其反應方程式為：
S（蒸氣） +2Cu Cu2S
實驗證明該黑色物質既不溶於冷的濃硫酸又不溶於稀硫酸，這正是硫化亞銅的性質（硫化亞銅只能被處在高溫狀態的濃硫酸氧化）。
4.「實驗裝置圖1」中反應完畢後所得溶液顏色放置變淺的原因
這與Cu2＋和水分子的絡合作用及硫酸的吸水性有關。當溶液溫度較高時，水合硫酸分子離解，產生了一定數量的自由水分子，這些自由分子便與Cu2＋絡合為四水絡銅離子｛[Cu（H2O）4]2＋｝，並形成絡合平衡：
Cu2＋＋4H20 [Cu（H2O）4]2＋
（無色） （藍色）
使溶液呈現藍色；降溫時硫酸分子吸附水分子的能力增強，使上述絡合平衡向左移動，溶液變為無色。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.銅過量時濃硫酸全部反應完的原因
有人認為，濃硫酸與過量的銅反應終了時，銅和硫酸（變為稀硫酸）都有剩餘。其理由是隨反應進行時，由於硫酸的不斷消耗和水的不斷生成，致使硫酸濃度慢慢減小，當其變成稀硫酸時，銅與稀硫酸不再發生氧化還原反應，是此反應停止。上述實驗表明不會出現這種情況。這是因為濃硫酸中含水的量很少，盡管反應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迴流到試管中），但導出的氣體中必有一定量的水蒸氣隨二氧化硫氣體逸出了，故濃硫酸並未實質性變稀，是此，只要有銅存在時，其氧化還原反應就可持續進行下去，直至硫酸全部反應完，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，長導氣管中冷凝的水還在慢慢向下流動，試管上部內壁的無水硫酸銅與之接觸之後發生水合作用，生成藍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時存在硝酸濃度的量變而引起化學反應的質變問題，這是因為濃硝酸中水的含量超過了35％，即本身水的量較多。再加之該反應是在通常情況下進行的，反應中水沒有變成蒸氣逸出。隨反應的進行硝酸不斷消耗，硝酸濃度在慢慢減小，變成稀硝酸後，硝酸的還原產物則為NO，化學反應即發生了質的變化。
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不能與這些物質發生加合作用。SO2是具有漂白性，但並非對所有的有色物質都有漂白性，上述這兩種指示劑就是實例之一。常見的可被SO2漂白的有色物質有品紅溶液、藍色墨水、天然纖維素中含有的一些有色物質（如草帽辮、紙漿）等，這些漂白的機理均與SO2與水作用生成H2SO3有關，即H2SO3能與這些有色物質發生加合作用，使之褪色。SO2使另一類物質褪色值得注意，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」均屬於氧化還原反應所致。

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