馬文 孫影 賈衛(wèi)國(guó) 熊言林

摘要： 硫的性質(zhì)是高中化學(xué)元素化合物知識(shí)中重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容之一，針對(duì)學(xué)生中關(guān)于硫和銅反應(yīng)的某些疑問，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行X射線多晶衍射（XRD）表征，探討硫和銅在不同溫度和用量比條件下反應(yīng)的產(chǎn)物，回應(yīng)并澄清了學(xué)生存在的困惑，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資料和教科書中的一些表述進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)層面的論證與說明。

關(guān)鍵詞： 硫和銅反應(yīng); X射線多晶衍射; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2020）10007403

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

硫是一種常見而又重要的非金屬單質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)比較活潑，在一定條件下，能夠與金屬反應(yīng)生成金屬硫化物。高中化學(xué)教科書以及百度作業(yè)幫等網(wǎng)絡(luò)資料都顯示硫與銅反應(yīng)生成硫化亞銅。理由是硫單質(zhì)的氧化性較氯氣和氧氣而言相對(duì)更弱，因此與變價(jià)金屬反應(yīng)時(shí)只能生成低價(jià)金屬硫化物，即硫與銅反應(yīng)生成硫化亞銅。在對(duì)蕪湖市某普通高中124名高一學(xué)生的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，很多高中生對(duì)硫和銅反應(yīng)產(chǎn)物的認(rèn)識(shí)也有相同的看法。同時(shí)有一部分學(xué)生認(rèn)為反應(yīng)時(shí)的溫度和反應(yīng)物量的比例關(guān)系可能對(duì)產(chǎn)物也會(huì)有影響，學(xué)生普遍認(rèn)為高溫時(shí)易生成CuS，低溫時(shí)易生成Cu2S，理由是溫度越高氧化還原反應(yīng)進(jìn)行得越徹底，因此Cu能被氧化成最高價(jià)態(tài);對(duì)于量比關(guān)系對(duì)產(chǎn)物的影響，一些學(xué)生依據(jù)木炭在氧氣中燃燒的反應(yīng)，類比推理得出硫粉少量時(shí)會(huì)生成Cu2S，過量時(shí)則生成CuS。基于對(duì)硫和銅反應(yīng)存在的困惑，筆者改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，通過控制反應(yīng)溫度和反應(yīng)物用量比例進(jìn)行深入探究，并對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行X射線多晶衍射（XRD）表征，探討在不同溫度和用量比條件下硫和銅反應(yīng)的產(chǎn)物。

2 相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容簡(jiǎn)評(píng)

關(guān)于硫和銅反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究資料比較多，大多集中于實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，而對(duì)反應(yīng)條件及產(chǎn)物的探討較少。蒯世定[1]將纏有細(xì)銅絲的塑料管直接伸入加熱的試管中與硫蒸氣反應(yīng)。楊育民[2]將試管截短，加快硫蒸氣與銅絲的接觸，但都沒有處理好副產(chǎn)物二氧化硫的污染問題。盛錫銘[3]將纏有細(xì)銅絲的鐵絲固定在大試管的橡皮塞上，將裝有濕堿石灰的球形干燥管連接在大試管上端，吸收反應(yīng)過程中產(chǎn)生的二氧化硫。鄧麗娟[4]用回形針將銅絲固定在具支試管的橡皮塞下部，并在具支試管的分支口處連接倒置的漏斗和濃氫氧化鈉溶液吸收尾氣。二者都是通過加熱試管內(nèi)的硫粉，直至形成硫蒸氣與固定在上方的細(xì)銅絲接觸發(fā)生反應(yīng)。熊言林[5]同樣利用具支試管和細(xì)銅絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并增加了球形干燥管（內(nèi)含浸有5%氫氧化鈉的脫脂棉球）作為尾氣處理裝置。加熱具支試管內(nèi)的硫粉，待硫粉受熱融化后，

立即將纏有多股細(xì)銅絲的玻璃棒伸入至具支試管內(nèi)的硫蒸氣區(qū)，可觀察到細(xì)銅絲表面迅速變黑，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但實(shí)際操作過程中難度較大。王建芬[6]巧妙地利用安全套和蒸餾瓶設(shè)計(jì)了一套密閉裝置，并在蒸餾瓶的支管處安裝了裝有干燥脫脂棉和潤(rùn)濕堿石灰的單球干燥管，加熱蒸餾瓶?jī)?nèi)的硫粉，將細(xì)銅絲向下推動(dòng)與硫蒸氣接觸發(fā)生反應(yīng)。以上的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)雖然都考慮到了尾氣的處理，但不論細(xì)銅絲的位置是固定還是可移動(dòng)，都難以控制銅絲伸入試管內(nèi)的深度，難以確保銅絲恰好在高濃度的硫蒸氣區(qū)發(fā)生反應(yīng)，若是觸及到液態(tài)硫則會(huì)覆蓋在銅絲表面，更是阻礙反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。以上研究也均未對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)。因此，為確保能夠準(zhǔn)確探尋影響硫和銅反應(yīng)產(chǎn)物的因素，驗(yàn)證學(xué)生的觀點(diǎn)正確與否，實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于兩點(diǎn)： 一是需要排除氧氣的干擾，該實(shí)驗(yàn)需要在封閉的環(huán)境中進(jìn)行，且反應(yīng)前需要排出裝置內(nèi)的空氣;二是使裝置能夠在一個(gè)穩(wěn)定的溫度下加熱，以保證反應(yīng)物受熱均勻，也便于檢測(cè)不同溫度條件對(duì)產(chǎn)物的影響。

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

已有的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)都使用酒精燈加熱，但考慮到酒精燈的內(nèi)外焰溫差較大，溫度不易控制，且火焰的穩(wěn)定性較差，加熱效率低，因此本研究選擇馬弗爐作為反應(yīng)的加熱裝置。馬弗爐是一種實(shí)驗(yàn)室常用的加熱設(shè)備，使用時(shí)可自主設(shè)定溫度和加熱時(shí)間，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、溫度控制精確以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，便于探查溫度對(duì)產(chǎn)物的影響。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種方便在馬弗爐內(nèi)加熱的封閉裝置。選擇一根細(xì)長(zhǎng)玻璃管，用酒精噴燈灼燒玻璃管的一端，待玻璃逐漸軟化后用鑷子用力夾住，直至管口完全封住。稱取一定比例的硫粉和銅粉于上述冷卻的玻璃管中，利用Schlenk操作技術(shù)[7]抽真空后，回充氮?dú)?，始終保持玻璃管一端與雙排管的橡皮管連接，以防止空氣進(jìn)入。雙手分別拿著玻璃管兩端，用酒精噴燈灼燒玻璃管中部（注意此過程要不斷旋轉(zhuǎn)玻璃管，以保證受熱均勻）。待灼燒部位稍軟化后，雙手反方向扭轉(zhuǎn)玻璃管并逐漸向外拉伸，直至玻璃管分成兩段且封口。密閉的反應(yīng)發(fā)生裝置如圖1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，硫化銅的熱穩(wěn)定性較差，加熱至220℃時(shí)分解生成硫化亞銅和硫單質(zhì)。但也有資料表明硫化銅在507℃時(shí)才發(fā)生轉(zhuǎn)化[8]，為了明確硫化銅的分解溫度，本研究嘗試選擇200℃、 220℃、 250℃和500℃作為反應(yīng)溫度;為了探究反應(yīng)物的量比關(guān)系對(duì)產(chǎn)物是否有影響，控制硫和銅物質(zhì)的量之比分別為0.8∶1、 1∶1和2∶1的比例關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和記錄，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與嚴(yán)謹(jǐn)性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)均控制銅粉的物質(zhì)的量是0.001mol，硫粉的物質(zhì)的量為0.0008mol、 0.001mol、 0.002mol。

（1） 實(shí)驗(yàn)操作步驟： 首先把馬弗爐的溫度設(shè)置為200℃，稱取硫粉質(zhì)量分別為0.0259g、 0.0320g、 0.0643g，銅粉質(zhì)量分別為0.0642g、 0.0639g、 0.0641g，并混合均勻。將上述裝有S、 Cu物質(zhì)的量之比分別為0.8∶1、 1∶1和2∶1的藥品的玻璃管放入馬弗爐內(nèi)加熱1.5h，待反應(yīng)結(jié)束后取出玻璃管，冷卻至室溫。隨后再分別將溫度設(shè)定在220℃、 250℃和500℃進(jìn)行上述反應(yīng)。

（2） 反應(yīng)產(chǎn)物處理： 反應(yīng)結(jié)束后可觀察到部分玻璃管內(nèi)有過量的硫單質(zhì)凝結(jié)附著在內(nèi)壁上，且由于反應(yīng)前抽真空，回充氮?dú)猓瑹o(wú)二氧化硫產(chǎn)生，不必考慮硫蒸氣和二氧化硫等有害氣體對(duì)環(huán)境的污染。為除去過量的硫粉，對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行如下處理：?將得到的產(chǎn)品放入離心管內(nèi)，加入一定量的CS2，超聲清洗2次后置于離心機(jī)內(nèi)離心，倒去上清液，如此重復(fù)3～5次，以確保殘余的硫粉能夠完全除去;再用少量乙醇洗去CS2;最后將洗滌干凈的產(chǎn)品放入烘箱內(nèi)于50℃干燥2小時(shí)。

（3） 反應(yīng)產(chǎn)物檢測(cè)分析： 分別對(duì)不同條件下反應(yīng)得到的產(chǎn)物進(jìn)行了XRD表征分析，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)卡片，發(fā)現(xiàn)所得產(chǎn)物的特征峰與CuS的特征峰一致，確定產(chǎn)物為CuS（見圖2）。此外，還有部分條件下反應(yīng)產(chǎn)物為Cu2S（見圖3），以及兩者的混合物。

為了明確硫化銅在什么溫度下分解，選取了上一步驟中制得的四個(gè)純凈的CuS產(chǎn)品，按照上述操作方法將樣品封存于四個(gè)玻璃管內(nèi)，設(shè)置馬弗爐的溫度為300℃、 350℃、 400℃和450℃分別進(jìn)行反應(yīng)，加熱時(shí)間仍為1.5h。待反應(yīng)結(jié)束后取出玻璃管得到產(chǎn)物，后續(xù)對(duì)產(chǎn)品的處理操作同第（2）步。對(duì)得到的物質(zhì)進(jìn)行XRD表征，與標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比分析后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品均為CuS，即在上述溫度下，CuS并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)化，而《無(wú)機(jī)化學(xué)》（高等教育出版社）（2015年）在附錄中，給出CuS分解為Cu2S的溫度是507℃[9]，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，我們得到生成Cu2S的實(shí)驗(yàn)溫度是500℃，因此我們認(rèn)為CuS的分解溫度在500℃左右。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

通過對(duì)表格中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出：

（1） 即使在沒有氧氣存在的條件下，硫粉與銅粉共熱仍有可能生成硫化銅，說明硫單質(zhì)可以將單質(zhì)銅氧化成二價(jià)銅。

（2） 溫度和反應(yīng)物的量比關(guān)系共同影響產(chǎn)物的生成： 低溫時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物受硫粉量的影響較大，硫粉少量時(shí)易生成Cu2S，過量時(shí)則易生成CuS;高溫時(shí)，不論硫粉是少量還是過量，硫和銅反應(yīng)都更傾向于生成Cu2S。

（3）

在本實(shí)驗(yàn)條件下，CuS的分解溫度在500℃左右。

當(dāng)然，硫和銅的反應(yīng)產(chǎn)物受很多因素影響，除了本研究主要探討的溫度和量比關(guān)系外，可能還與藥品是否混合均勻、使用銅絲還是銅粉等因素有關(guān)。由此可知，硫與銅反應(yīng)因條件不同其產(chǎn)物也不盡相同。

本研究通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，憑借有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明并揭示了硫和銅反應(yīng)的規(guī)律?；貞?yīng)并澄清了學(xué)生中存在的種種困惑，從實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)資料和教科書進(jìn)行了補(bǔ)充說明，幫助學(xué)生進(jìn)一步構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)受條件影響的學(xué)科觀念，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣和能力，引領(lǐng)學(xué)生深刻感受科學(xué)研究的過程與魅力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒯世定. 銅與硫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 化學(xué)教育， 1999， （4）： 37.

[2]楊育民. 銅和硫反應(yīng)裝置的改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 1994， （5）： 18.

[3]盛錫銘. 銅與硫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的探討[J]. 化學(xué)教學(xué)， 1997， （12）： 12～13.

[4]鄧麗娟. 銅與硫反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]. 湖北中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室， 2001， （Z1）： 54.

[5]熊言林. 銅跟硫反應(yīng)封閉式實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備， 2002， （2）： 8.

[6]王建芬， 齊俊林. 銅與硫反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （11）： 56～58.

[7]路國(guó)梁， 宋福全， 王昭煜， 房青嵐. 無(wú)水無(wú)氧實(shí)驗(yàn)技術(shù)[J]. 化學(xué)通報(bào)， 1993， （10）： 48～53.

[8][9]宋天佑， 徐佳寧， 程功臻. 無(wú)機(jī)化學(xué)（下冊(cè)）（第3版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2015： 882.