王強(qiáng)

摘要： 梳理教材及文獻(xiàn)中硫與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的利與弊，用銅粉代替銅絲，師生共同參與對(duì)該實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置改變了加料方式，使反應(yīng)過(guò)程中銅粉與硫蒸氣充分接觸，加快了反應(yīng)速率，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，同時(shí)確保實(shí)驗(yàn)的安全環(huán)保，充分實(shí)現(xiàn)了其教學(xué)價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 硫與銅粉反應(yīng); 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究;紫銅粉;堿石灰

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）10-0071-04

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問(wèn)題的提出

硫是一種生產(chǎn)、生活中常見(jiàn)的非金屬單質(zhì)，在一定條件下，能夠與金屬反應(yīng)生成金屬硫化物。2019年版人教版普通高中教科書(shū)（簡(jiǎn)稱(chēng)新人教版）化學(xué)必修第二冊(cè)第五單元第一節(jié)“硫及其化合物”中提到硫能與銅反應(yīng)，但僅對(duì)該反應(yīng)作了符號(hào)表征（2Cu+S△Cu2S），而未設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科興趣的源頭。在此實(shí)驗(yàn)中由于硫與銅反應(yīng)是放熱過(guò)程，理論上還能通過(guò)反應(yīng)后銅變紅熱現(xiàn)象呈現(xiàn)反應(yīng)能量的變化，若能加以演示，可使學(xué)生直觀感受化學(xué)反應(yīng)中不僅有新物質(zhì)的生成，還伴隨有能量的變化，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致入微的觀察能力，增強(qiáng)學(xué)生從宏微結(jié)合視角分析問(wèn)題的能力，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立變化觀念。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，1983年版高中化學(xué)教材（以下稱(chēng)老教材）曾設(shè)置了硫與銅反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)[1]，具體操作步驟為： 給盛有硫粉的大試管加熱，加熱到硫沸騰產(chǎn)生蒸氣時(shí)，用坩堝鉗夾住一束擦亮的銅絲伸入管口（如圖1所示），觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

該裝置易于組裝，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象較為明顯，便于課堂演示，發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，有一定的參考價(jià)值。但該實(shí)驗(yàn)存在以下不足：

（1） 實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生二氧化硫，若不及時(shí)處理，則會(huì)污染環(huán)境，影響師生健康。

（2） 當(dāng)溫度相對(duì)較低的銅絲插入含硫蒸氣的大試管中時(shí)，銅絲表面往往會(huì)有少量硫單質(zhì)凝結(jié)。若降低加熱效果，往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能觀察到應(yīng)有的現(xiàn)象。該操作還可能造成銅絲與試管壁沾粘，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀測(cè)。

2? 對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)文獻(xiàn)的簡(jiǎn)述

經(jīng)典的教材實(shí)驗(yàn)為我們提供了有價(jià)值的參考資源，以及改進(jìn)和創(chuàng)新的廣闊空間。楊育民[2]將試管截短，然后加入硫粉，并將試管垂直固定于鐵架臺(tái)上，酒精燈加熱，待試管內(nèi)硫生成5cm高的蒸氣時(shí)，從管口插入銅絲，即可觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖2所示）。該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)克服了試管過(guò)長(zhǎng)時(shí)銅絲易與試管壁沾粘不易插入的缺點(diǎn)，同時(shí)增加了硫蒸氣高度，提升了實(shí)驗(yàn)的成功率，但沒(méi)有解決副產(chǎn)物二氧化硫的污染問(wèn)題。

蒯世定[3]將生活中常見(jiàn)的細(xì)銅絲導(dǎo)線用于實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，剝?nèi)ゼ?xì)銅絲導(dǎo)線外表的塑料皮，將細(xì)銅絲松散地繞在一段約30cm長(zhǎng)的玻璃棒上，伸入加熱產(chǎn)生硫蒸氣的試管中，銅絲立即呈紅熱狀態(tài)（如圖3所示）。該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)可觀察性較強(qiáng)，避免了銅絲會(huì)被硫蒸氣粘在試管壁上，但依然沒(méi)有解決二氧化硫的污染問(wèn)題。

張濤[4]利用粗短具支試管代替大試管，有利于產(chǎn)生足量的硫蒸氣，并連接盛有堿液的燒杯。加熱盛有硫粉的具支試管，當(dāng)試管內(nèi)產(chǎn)生部分高溫硫蒸氣后，慢慢將玻璃棒向里推，使銅絲與硫蒸氣反應(yīng)（如圖4所示）。該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)不僅有效吸收了二氧化硫氣體，而且避免了銅絲與試管壁的沾粘。

婁青燕[5]采用套管裝置，將銅粉與硫粉混合物平鋪于小試管中，然后將小試管塞上石棉絨，再橫放入大試管中，大試管則固定在鐵架臺(tái)上呈水平方向，用導(dǎo)管通向氫氧化鈉溶液。對(duì)準(zhǔn)小試管部位加熱，即可觀察到紅熱現(xiàn)象（如圖5所示）。套管裝置保證了實(shí)驗(yàn)在相對(duì)封閉的環(huán)境中進(jìn)行，避免對(duì)空氣造成污染。

盛錫銘[6]為避免硫蒸氣對(duì)視線的干擾，便于控制銅絲伸入的深度，同時(shí)防止二氧化硫污染環(huán)境，將大試管豎直固定于鐵架臺(tái)上，并將纏有細(xì)銅絲的鐵絲固定于大試管內(nèi)，大試管頂部則通過(guò)橡膠塞連接裝有濕堿石灰的球形干燥管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（如圖6所示）。該裝置起到了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作、提高成功率、消除污染的效果。

王建芬等[7]將一束細(xì)銅絲纏繞在一根粗銅絲末端，將安全套和蒸餾瓶組裝成密閉裝置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)朝不同方向扭轉(zhuǎn)安全套，控制銅絲深入試管的深度，以防止加熱硫粉時(shí)細(xì)銅絲被氧化或覆蓋一層單質(zhì)硫。在蒸餾瓶支管處連接盛有干燥脫脂棉和濕堿石灰的球形干燥管，以避免二氧化硫外逸（如圖7所示）。該裝置構(gòu)思新穎，設(shè)計(jì)巧妙，取材容易。

化學(xué)工作者通過(guò)巧妙的構(gòu)思、新穎的設(shè)計(jì)，從不同角度出發(fā)，就地取材，改進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，甚至還對(duì)反應(yīng)條件及產(chǎn)物進(jìn)行分析探討，取得了較理想的效果。上述改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的背后，也還存在一些問(wèn)題值得思考。有些實(shí)驗(yàn)為達(dá)到硫與銅的反應(yīng)和二氧化硫的吸收裝置一體化的目的，通常將銅絲或玻璃棒穿嵌在橡膠塞中，再將橡膠塞塞入試管，這樣會(huì)造成抽拉銅絲較為困難，且在抽拉銅絲的過(guò)程中，往往會(huì)帶出橡膠塞，破壞裝置的氣密性，造成二氧化硫外逸，影響改進(jìn)效果。另外銅絲或玻璃棒穿嵌在橡膠塞中不易控制插入試管內(nèi)的深度，尤其固定銅絲時(shí)，更加難以確保銅絲恰好處于高溫硫蒸氣所處的區(qū)域。

另外，部分教師利用自制教具改進(jìn)此實(shí)驗(yàn)，若教具的設(shè)計(jì)和制作過(guò)于復(fù)雜繁瑣，或反應(yīng)條件較為苛刻，都會(huì)導(dǎo)致教師在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段耗時(shí)過(guò)多，不利于推廣。且學(xué)生在理解復(fù)雜教具制作原理、功能和體驗(yàn)制作過(guò)程時(shí)，分散了較多精力，加重了認(rèn)知負(fù)擔(dān)，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，減弱了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。

3? 硫與銅反應(yīng)再改進(jìn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)、發(fā)揮實(shí)驗(yàn)育人功能起著重要作用。立足于化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)，分析現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的利弊，設(shè)計(jì)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)反應(yīng)條件、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)輔助手段等進(jìn)行創(chuàng)新研究和驗(yàn)證，有利于發(fā)展學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法開(kāi)展科學(xué)探究的能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

老版本教材和部分已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，大多采用了銅絲與高溫硫蒸氣反應(yīng)的模式，由于銅絲在試管中預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，容易造成銅絲表面氧化，且銅絲表面凝結(jié)的硫不利于進(jìn)一步反應(yīng)。為進(jìn)一步提升學(xué)生的探究和創(chuàng)新能力，師生共同對(duì)硫與銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再改進(jìn)。本實(shí)驗(yàn)用銅粉代替銅絲，改變加料方式，讓銅粉自由下落，而硫沸騰產(chǎn)生的蒸氣則向上運(yùn)動(dòng)，在“對(duì)流”過(guò)程中銅粉可均勻地分散在硫蒸氣中，銅粉與硫蒸氣充分接觸，提高了反應(yīng)速率，增強(qiáng)了反應(yīng)現(xiàn)象的可觀察性，達(dá)到了簡(jiǎn)化操作、提高成功率、保護(hù)環(huán)境等目的。

3.1? 實(shí)驗(yàn)原理

硫與銅反應(yīng)主要涉及以下反應(yīng)及知識(shí)：

（1） 硫與銅在加熱條件下反應(yīng)生成黑色的硫化亞銅： 2Cu+S△Cu2S;

（2） 在加熱條件下，硫與空氣中氧氣反應(yīng)生成二氧化硫： S+O2△SO2;

（3） 副產(chǎn)物二氧化硫可被堿石灰吸收。

3.2? 實(shí)驗(yàn)主要用品

紫銅粉（800目，網(wǎng)購(gòu)）、具支試管（內(nèi)徑20mm，長(zhǎng)度200mm）、堿石灰、橡皮管、橡膠塞、導(dǎo)管、小試管、干燥管、酒精燈、鐵架臺(tái)等

3.3? 實(shí)驗(yàn)方法

（1） 取一具支試管，裝入3g硫粉，于支管處連接一盛有堿石灰的干燥管，以便吸收副產(chǎn)物二氧化硫。

（2） 在一小試管內(nèi)放入2g紫銅粉，通過(guò)橡皮管、橡膠塞和導(dǎo)管與具支試管上口相連（如圖8所示）。關(guān)閉彈簧夾，防止加熱初期少量硫進(jìn)入小試管。

（3） 用酒精燈加熱硫粉。當(dāng)硫沸騰產(chǎn)生大量深棕色蒸氣時(shí)，打開(kāi)彈簧夾，抬起小試管，使紫銅粉緩緩落入具支試管中與高溫硫蒸氣反應(yīng)，并觀察現(xiàn)象。

3.4? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，下落的硫粉與向上運(yùn)動(dòng)的高溫硫蒸氣形成“對(duì)流”，兩者接觸時(shí)很快達(dá)到反應(yīng)溫度，可觀察到銅粉迅速變得紅熱，甚至還有火星出現(xiàn)，反應(yīng)劇烈。反應(yīng)結(jié)束硫蒸氣冷卻后，可以觀察到試管壁上和底部均出現(xiàn)黑色的產(chǎn)物。

3.5? 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

（1） 若圖8中裝紫銅粉的小試管固定困難，可另取一鐵架臺(tái)予以固定，圖中不再顯示。

（2） 銅粉顆粒應(yīng)細(xì)小，便于添加。細(xì)小的銅粉下落時(shí)更易分散，利于銅粉與硫蒸氣充分接觸，進(jìn)一步縮短銅粉預(yù)熱時(shí)間，利于提高反應(yīng)速率。為延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，添加銅粉時(shí)，應(yīng)緩緩抬起小試管，必要時(shí)可輕輕抖動(dòng)小試管，使銅粉順利下落。

（3） 應(yīng)充分加熱硫粉，使其產(chǎn)生足量的高溫蒸氣，以增強(qiáng)反應(yīng)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)效果。

3.6? 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)與素養(yǎng)培養(yǎng)價(jià)值

（1） 再改進(jìn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，避免了銅絲預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，使反應(yīng)較快進(jìn)行。銅粉與硫蒸氣反應(yīng)范圍廣，有利于擴(kuò)大學(xué)生的觀察視野。下落的銅粉產(chǎn)生火星和紅熱現(xiàn)象，有利于激發(fā)學(xué)生的興趣，便于學(xué)生直觀感受化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)與能量的變化，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的觀察力，促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念。

（2） 再改進(jìn)實(shí)驗(yàn)充分考慮了二氧化硫的吸收問(wèn)題，有利于培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

（3） 通過(guò)梳理分析老教材與已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的利弊，可以增加學(xué)生深入閱讀分析文獻(xiàn)資料的機(jī)會(huì)，按照發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出猜想、設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的流程對(duì)硫與銅反應(yīng)進(jìn)行再改進(jìn)，有利于學(xué)生掌握科學(xué)探究的一般過(guò)程與方法，以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)施培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)、問(wèn)題意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的能力。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的學(xué)科特質(zhì)對(duì)培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)品質(zhì)具有不可替代的作用[8]。運(yùn)用化學(xué)知識(shí)與技能，遵循科學(xué)性、可行性、安全性等原則，根據(jù)一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模凑湛茖W(xué)的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、試劑、裝置、步驟和方法等進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，通過(guò)一系列教師與學(xué)生共同參與的科學(xué)探究活動(dòng)，充分發(fā)揮了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。

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