2024年浙江省初中学业水平考试科学试卷第27题，是一道关于浓硫酸性质的实验与探究题。试题呈现了新的实验情境，要求学生在分析信息的基础上，综合运用已有知识技能，创造性地解决真实问题，有效考查了学生的核心素养。由于实验具有创新性，学生对实验现象的推理和演绎具有一定的困难，许多教师对实验的原理和现象也存在一定的困惑。笔者通过深度剖析实验原理，解释实验现象，并分析由此带来的教学启示。
1 试题回顾
浓硫酸具有吸水性和脱水性。教师演示了如下实验：在一定量的饱和硫酸铜溶液中加入浓硫酸，可以观察到液体上部呈蓝色，下部为无色，出现白色固体沉积（
图1），试管壁发烫。经检测白色固体是无水硫酸铜。请回答：
（1） 试管壁发烫的原因是浓硫酸与水混合
（填“吸热”或“放热”）。
（2） 无色液体在下部是由于
。
（3） 进一步实验。①取出白色固体置于烧杯A中，配制成饱和溶液。将烧杯A和烧杯B置于密闭的钟罩内（
图2）。一段时间后，烧杯A中出现蓝色晶体。
②取出烧杯A中的晶体，向该晶体中加入浓硫酸，又出现白色固体。根据以上实验推测，如果教师继续向
图1试管中加入浓硫酸，可观察到的变化是
。
（4） 教师提醒学生，浓硫酸除以上实验中表现出来的性质之外，还有腐蚀性，实验时务必规范操作。写出一条使用浓硫酸时的注意事项：
。
参考答案：（1） 放热；（2） 浓硫酸的密度比硫酸铜溶液的密度大；（3） 白色固体增多，蓝色液体颜色逐渐变浅；（4） 在稀释浓硫酸时，要将浓硫酸沿着玻璃棒慢慢倒入水中，并不断搅拌，使产生的热量迅速扩散（合理即可）。
2 实验解析
在学生的学习经历中，对浓硫酸与饱和硫酸铜溶液都比较熟悉。但是将两者放在一起，观察和分析混合后的变化，师生对这个实验情境是完全陌生的。混合时发生的变化说明浓硫酸的哪些性质？变化的内在机理是什么？笔者追根溯源，寻找试题相关文献，并根据试题情境重做实验，尝试进行分析和探讨。
2.1 检索文献
文献
［1］介绍了相关实验：①向饱和硫酸铜溶液中滴加浓硫酸后，浓硫酸和硫酸铜溶液分层，无色的浓硫酸在下层，蓝色的硫酸铜溶液在上层，有明显的界面。②在界面处开始慢慢发生变化，浓硫酸溶液中出现白色固体，并逐渐下沉，最后试管底部聚集大量白色固体（无水硫酸铜）。上述文献呈现了向饱和硫酸铜溶液中滴加浓硫酸的创新实验情境，清晰描述了实验的过程和现象。不过，文中描述比较简洁，并没有给出体现实验现象的内在机理。
2.2 复原实验情境
浓硫酸与饱和硫酸铜溶液混合：常温下，在试管中倒入2 mL饱和硫酸铜溶液，然后沿着试管壁小心加入2 mL浓硫酸，静置。可观察到浓硫酸（无色液体）进入试管的底部，蓝色的硫酸铜溶液在上层，两者有明显的分界面，试管外壁发烫，液面略有水汽。静置一段时间后，可观察到上层蓝色硫酸铜溶液的液面处有许多浅蓝色结晶出现，两层液体的分界面变得厚实，界面下方出现半透明的无色晶体。随着时间的推移，液面处的结晶逐渐变大，向下生长出更为粗壮的晶枝，后因重力过大而沉入无色浓硫酸中，且逐渐由蓝色变为白色固体沉积在试管底部。两层液体的界面逐渐变得模糊，上层蓝色变浅。
进一步实验：①在A、B两只小烧杯中分别加入20 mL饱和硫酸铜溶液和浓硫酸，置于密闭钟罩内，4 h后观察，可发现饱和硫酸铜溶液中有蓝色晶体出现，并随着时间的增加而逐渐增多。②在蓝色的硫酸铜晶体中加入浓硫酸，蓝色晶体马上变成白色固体。
2.3 剖析实验原理
在浓硫酸与饱和硫酸铜溶液混合实验中，除可观察到明显的放热和分层现象外，结晶固体的呈现有3种情况：①蓝色溶液中出现蓝色晶体；②液体分层界面下方出现半透明的无色晶体；③蓝色溶液中生长的蓝色晶体掉落在浓硫酸中变成白色固体。浓硫酸与饱和硫酸铜溶液混合时试管外壁为什么会发烫？刚混合的液体为什么会分层？晶体出现的原理是什么？蓝色硫酸铜晶体在浓硫酸中失去结晶水变成白色固体，体现浓硫酸的吸水性还是脱水性？
（1） 浓硫酸的结构和特性。
浓硫酸（98.3%）是无色油状液体，在288 K下的密度为1.838 4 g·cm
-3。在硫酸分子中，各键角和4个S-O键长是不相等的，每个四面体的硫酸分子通过氢键与相邻的4个硫酸分子连接，呈现波纹层状结构，因此它呈黏稠的油状，流动性较差
［2］。因为硫酸分子易与水分子结合形成水合硫酸，所以浓硫酸具有强烈的吸水性和脱水性。硫酸的水合物有一水硫酸、二水硫酸和四水硫酸。硫酸在形成水合物的过程中放出大量的热。
硫酸电离并水合形成1 mol·kg
-1酸溶液的焓变计算如下：H
2SO
4（l）→2H
+（aq）+SO
42- （aq），因为H
2SO
4（l）的生成焓：Δ
fHmӨ=-814 kJ·mol
-1，SO
42-（aq）的生成焓：Δ
fHmӨ=-909.27 kJ·mol
-1［3］，所以变化过程的焓变：Δ
rHmӨ=-909.27 kJ·mol
-1-（-814 kJ·mol
-1）= -95.27 kJ·mol
-1。这表明浓硫酸与水混合时会放出大量的热。通过进一步测算可知，2 mL 98%的浓硫酸形成一水硫酸时，可吸收水0.66 mL，在此基础上，继续水合形成四水硫酸时，可吸收水2.64 mL。当98%的浓硫酸中的硫酸分子都形成一水硫酸时，硫酸的质量分数降至83%。浓硫酸在与水分子直接水合的过程中，表现为吸水性。在与含氢和氧的物质接触时，浓硫酸可将物质中的氢和氧元素以原子数目比2∶1脱出，表现为脱水性。如蔗糖（C
12H
22O
11）或纤维素［（C
6H
10O
5）
n ］遇浓硫酸脱水产生碳，乙醇与浓硫酸同热，则脱水生成乙烯。
（2） 五水硫酸铜的结构和特性。
在CuSO
4·5H
2O晶体的结构
［4］中，铜原子与4个水分子连接成平面正方形，并分别与2个硫酸根离子中的氧原子结合形成六配位结构，第5个水分子由氢键连接围绕铜的水分子与硫酸根离子中的氧原子。因此，可将五水硫酸铜晶体的化学式写成［Cu（H
2O）
4SO
4］·H
2O。在加热硫酸铜晶体失水时，先形成三水合物，然后是一水合物，最后约在190 ℃时转变为无水物。无水物单晶接近无色透明，可从硫酸溶液或硫酸-硫酸铵溶液中生长出来
［2］。
在干燥的空气中，硫酸铜晶体存在着
CuSO4·5H2OCuSO4·3H2O+2H2O；
CuSO4·3H2OCuSO4·H2O+2H2O；
CuSO
4·H
2O
CuSO
4+H
2O的动态平衡。若将CuSO
4·5H
2O晶体与浓硫酸分别放在两个敞口容器中，并置于密闭的干燥器中，1 d后硫酸铜晶体表面变白，并随着时间的推移，白色粉末增多。在这个过程中，浓硫酸与硫酸铜晶体并未直接接触，浓硫酸吸收干燥器空气中的水分，使硫酸铜晶体表面的空气干燥，促进硫酸铜晶体解离平衡正向移动，所以该过程中浓硫酸体现吸水性。结合常温下硫酸铜晶体和硫酸液面上方的水蒸气气压数据可以测算，理论上80%以上的浓硫酸能使五水硫酸铜晶体失水变成白色的硫酸铜粉末。在实际使用中，为考虑干燥速率，经常使用更高浓度的浓硫酸进行吸水或脱水
［5］。
根据CuSO4·5H2O晶体的结构可以推测，在浓硫酸与五水硫酸铜直接接触时，浓硫酸会破坏铜原子与氧原子之间的配位键，使五水硫酸铜失去结晶水而变成白色的硫酸铜固体。因此，在本实验中有化学键被破坏，两者发生了化学变化，体现了浓硫酸的脱水性。
（3） 解释实验现象。
浓硫酸与水混合形成1 mol·kg-1溶液过程的焓变为-95.27 kJ·mol-1，表明浓硫酸与水混合时会放出大量的热。由于浓硫酸的密度大于饱和硫酸铜溶液的密度，根据浮力和密度知识原理，在饱和硫酸铜溶液中加入浓硫酸时，浓硫酸会进入液体的下层空间，出现蓝色液体在上、无色液体在下的现象。由于两者密度相差较大，开始实验时液体分层明显，并且由于浓硫酸中分子之间存在氢键而形成的层状结构，使其在静置的过程中扩散较慢，能保持较长时间的分层。而后，由于分子运动，两层液体不断向彼此扩散，界面才逐渐模糊，最后混为一体。
常温下，在2 mL饱和硫酸铜溶液中加入2 mL浓硫酸时，浓硫酸迅速从饱和硫酸铜溶液中吸水，且水合过程放出大量的热，使液面水蒸发。因此，可观察到试管壁发烫，液面上方有水汽。虽然温度的升高可使硫酸铜的溶解度增大，但浓硫酸吸水（主要因素）和液面水的蒸发，仍使硫酸铜溶液迅速呈现过饱和状态，因此在液面或试管壁出现晶核，并不断生长出带结晶水的蓝色硫酸铜晶体。在浓硫酸与饱和硫酸铜溶液的界面上，由于硫酸铜进入浓硫酸中直接结晶，形成无水硫酸铜晶体，所以出现界面向下生长的半透明无色晶体（无水硫酸铜）。
静置一段时间后，液面处生长的蓝色晶体逐渐增多，后因重力过大而下沉至浓硫酸中，又进一步被浓硫酸夺去结晶水，变成白色无水硫酸铜固体，所以可观察到试管底部有白色固体沉积。蓝色硫酸铜溶液与无色浓硫酸由于分子运动而相互扩散，界面逐渐模糊。上部液体由于硫酸的进入，硫酸根离子增多，产生同离子效应，使硫酸铜的沉淀-溶解平衡进一步向结晶方向移动，硫酸铜继续结晶析出
［6］。因此，由于硫酸的进入（稀释）和硫酸铜的结晶（溶质减少），上部液体中硫酸铜的质量分数不断减小，溶液蓝色变浅；下部液体由于硫酸铜的进入而变成浅蓝色，但在浓硫酸较多的情况下，进入的硫酸铜会慢慢形成无水硫酸铜结晶。结晶过程的主要变化如
图3所示。
3 教学启示
该实验综合呈现了浓硫酸的颜色、状态、密度、吸水性、脱水性、稀释等方面的知识。特别是对于浓硫酸的吸水性和脱水性，两者在一个实验中完美地结合在一起呈现。作为教师，需要细致分析、辩证判断。但对学生来讲，试题的设问规避了对吸水性、脱水性的过度解读与要求，仅在题干中点到即止，让学生在解题时既有思维的方向与抓手，又不至于纠结这两种性质的异同，真正实现了学科核心素养的考查。第（1）、（2）小题考查了在真实情境下综合运用科学知识解释实验现象的能力；第（3）小题考查了对实验现象的预测，具有开放性，需要学生基于证据推理和创新思维；第（4）小题考查了实验安全知识，在大规模考试层面上强调了实验安全与规范的重要性。
3.1 重视围绕实验目的的分析探讨
实验目的是实验的灵魂，是实验的出发点和归宿点。该题的第一句话即阐明实验目的：“浓硫酸具有吸水性和脱水性”。抓住这个题眼后，对实验过程中出现的现象就能有整体的把握。试题启示我们，在实验时要紧紧围绕实验目的，开展实验设计和实验操作，进行有的放矢的观察和测量，以收集数据，并围绕实验目的进行数据处理和获得结论。绝对不能盲目地为做实验而做，要避免照方抓药式的实验和机械操作。
3.2 强化对实验过程的观察分析
在实验教学中，经常为获得某个结论或现象而做实验，对实验的观察和分析着重于终端结果，而忽略过程中的现象。该试题第（1）至（3）小题的设问是对实验过程中现象的观察和分析。将浓硫酸加入饱和硫酸铜溶液中为什么会分层？是否说明它们不相溶？如果它们不相溶，那么上层硫酸铜溶液只会变少，而颜色不会变浅……发出这样疑问的师生，忽略了试题情境呈现的是刚混合时可观察到的现象，而不是混合后最终的实验现象。物质的扩散需要一定的时间，两种能相互混溶的物质刚混合时因密度不同而出现分层，学生在生活和实验活动中都有接触，如将蜂蜜放入水中时的现象。刚混合时的分层，不等于永久的分层，不应该看到“分层”就错误地推断出两物质不相溶。这启示我们，要强化实验的过程性，真正地让学生亲历科学探究的过程，在实验和观察中思考，在思考中有目的地开展实验和观察，鼓励学生用自己的语言表达观察所获得的信息，引导学生在交流互补中优化对实验现象的表达，促使学生的认识臻于科学规范。
3.3 训练基于新情境的证据推理
证据推理是化学学科核心素养之一，是科学实证精神和逻辑思维的结合和体现。该题题干中的实验情境对学生来说新奇陌生，但试题简洁明了地给出了充足的信息，足以支撑学生在这个新的实验情境中采集证据。如第（1）小题，从“试管壁发烫”到“浓硫酸与水混合放热”。第（2）小题，从“液体上部呈蓝色，下部为无色”推理到“上部为饱和硫酸铜溶液，下部为浓硫酸”，再根据浮沉条件推理到“浓硫酸的密度比饱和硫酸铜溶液的密度大”。第（3）小题，从题干中获知加入浓硫酸后有白色硫酸铜固体沉积，根据试题中的分步实验现象，理解浓硫酸的吸水性和脱水性，使试管中析出白色的无水硫酸铜固体；进一步推理可得知，继续加浓硫酸后蓝色硫酸铜溶液中的硫酸铜进一步析出，溶液中的硫酸铜减少、蓝色变浅、白色固体增多。第（4）小题则从试题情境中采集到浓硫酸密度大、遇水放热、有腐蚀性等信息，推理得出安全使用浓硫酸的规范操作。在日常教学中，要精心设计问题，引导学生有逻辑地思考问题，注重对证据的分析和推理过程，引导学生厘清每个概念、原理的得出过程，以强化学生对基本知识的理解和掌握，提高学生对科学本质的认识。
3.4 关注实验规范与安全
实验规范与安全是实验的生命线。规范与安全教育应深入每个实验中，特别是对强酸、强碱等强腐蚀性物质的使用，以及可能接触的有毒有害物质如一氧化碳、二氧化硫等，要加强操作的规范性与安全性训练。本题第（4）小题请学生写出一条使用浓硫酸时的注意事项，意在引导师生关注实验的规范与安全，真正做到警钟长鸣。
4 结语
物质的结构决定了性质。着眼于浓硫酸和硫酸铜晶体结构的分析，解决了实验中的根本问题：浓硫酸稀释时为什么放热？混合时为什么分层？晶体如何形成？试题考查了学生对实验与探究技能和方法的掌握情况。在日常教学中，要加强对实验目的、实验过程和实验现象（数据）的深入分析与处理，强化实验规范与安全教育。
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