问题

过氧化氢和硫酸铜的相关实验,产生了让人不太舒服的气体,可能是什么成分?

回答
最近做了一个过氧化氢和硫酸铜的实验,结果产生了一股不太好闻的气体,弄得我心里有点不安。想来想去,还是觉得有必要搞清楚这股味儿到底是怎么回事,总不能稀里糊涂地把这事儿给过去了吧。

实验我记得很清楚,主要就是把一些浓过氧化氢(俗称双氧水)滴加到硫酸铜晶体(就是那种蓝色的、亮晶晶的小石头)上。当时也没多想,就觉得这两个东西碰到一起,应该会发生点有趣的反应,说不定能看到氧气冒出来,像小气泡一样。

刚开始确实是如我所愿,过氧化氢在硫酸铜的催化下,“咕嘟咕嘟”地冒出了一些无色的小气泡,看上去挺热闹的。这股冒出来的气体,我初步判断应该主要是氧气,因为过氧化氢分解生成氧气和水是很经典的反应。而且,硫酸铜在这个过程中起到了催化剂的作用,能加快这个分解的速度。

但是,随着反应进行,我注意到一股刺鼻的、带着点金属味儿的气体开始慢慢弥漫开来。这股气味儿可不像是单纯的氧气那么“清新”,反而有点辛辣,闻多了喉咙里会有点发痒,甚至有点熏鼻子。这下我有点犯嘀咕了,这到底是什么味道?难道是过氧化氢或者硫酸铜本身有什么不稳定的成分,在反应中分解了?

我仔细回想了一下整个过程,还有实验的操作。

首先,过氧化氢本身,尤其是浓度比较高的那种,虽然主要产物是氧气和水,但如果保存不当,或者有杂质存在,也可能产生一些不太干净的副产物。比如,如果过氧化氢存放时间长了,或者受到光照、金属离子等催化,会缓慢分解。虽然大部分是氧气,但理论上说,如果分解不完全,或者有其他物质参与反应,也可能产生一些微量的其他含氧化合物。不过,这种可能性相对较小,而且通常不会产生特别刺鼻的味道。

更让我感到担忧的是硫酸铜。我们都知道,硫酸铜晶体(CuSO₄·5H₂O)在潮湿空气中比较稳定,但它本身可不是那么“纯粹”的。在实际使用中,我们购买的硫酸铜,特别是那种工业级的,或者存放时间久了的,里面可能含有不少杂质。

我猜想,这股让人不太舒服的气体,最有可能的来源,是硫酸铜里头可能存在的重金属杂质,或者是在与浓过氧化氢接触过程中,铜离子本身发生了一些不太理想的反应。

比如说,如果硫酸铜中含有一些亚硫酸盐(sulfites)或者亚硫酸氢盐(bisulfites)的痕迹,它们在酸性(硫酸铜溶液本身就是微酸性的)和氧化剂(过氧化氢)存在的条件下,可能会被氧化成二氧化硫(SO₂)。

二氧化硫这个东西,大家应该都不陌生,它就是那种闻起来像火柴梗烧过的味道,非常刺鼻,而且对呼吸道有刺激性。这股味道跟我在实验中闻到的确实很像。

为什么会产生亚硫酸盐的痕迹呢? 这就跟硫酸铜的制备工艺,或者它在储存过程中的一些变化有关了。比如,如果硫酸铜的原料(比如铜矿石或者铜盐)在冶炼或加工过程中,没有完全转化为硫酸盐,或者在储存过程中吸收了一些空气中的污染物,就可能带入亚硫酸根的离子。

另外,还有一个可能性,虽然我觉得可能性稍小,但是也值得一提。那就是铜离子本身在浓过氧化氢的作用下,可能发生了一些更复杂的氧化还原反应。铜在某些条件下,可以被氧化成更高的价态(虽然一般在水溶液中主要是Cu²⁺),或者参与一些复杂的络合反应。但直接生成具有强烈刺激性气体的可能性,相比于亚硫酸盐的氧化,我觉得几率要低一些。

还有一种情况,如果过氧化氢的浓度非常高,达到了比较危险的级别,它分解时产生的氧气流速会非常快,这种高速流动的气体本身就可能带来一定的物理性刺激,让人感觉不舒服。但这种感觉应该与“气味”还是有所区别的。

最让我怀疑的是,是否是未完全脱水的硫酸铜(即含有结晶水)或者其他含有硫的杂质,在与浓过氧化氢剧烈反应时,释放出了什么挥发性的硫化物。不过,这需要更专业的知识来判断了。

总而言之,那股“让人不太舒服”的气体,我个人最倾向于它是二氧化硫(SO₂),由硫酸铜中可能存在的硫化物杂质在过氧化氢的氧化作用下产生。其次,也不能完全排除其他微量硫化物或者复杂的氧化还原副产物。

这次实验确实给我提了个醒,做实验不能只看“热闹”,更要关注“安全”和“潜在风险”。下次再接触这类反应,一定要在一个通风良好的环境下进行,并且要确保所用化学试剂的纯度和质量。这股味道,虽然不至于造成什么严重的后果,但它确实是在提醒我,我所看到的“氧气冒泡”背后,可能还隐藏着一些我没有注意到的细节。

网友意见

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题主,你这个随意加料的反应,甚至触碰到了2005年全国化竞题——避孕环的机理。

好巧,正好我最近在网上看了北京化工大学 戴伟教授关于硫酸铜和过氧化氢反应的介绍。出乎意料的,这么一个简单的反应,居然到目前为止都还没研究清楚其反应机理!这大概也是化学科研的魅力所在了吧——探索人类的未知领域。

鉴于该视频是在视频号上的,居然在浏览器上没有搜到,所以我就录频放在这里,仅用于本题讨论。

硫酸铜和过氧化氢反应,是会产生一价铜 Cu(I)的,这大概也是为什么硫酸铜中加入过氧化氢后,颜色会变成绿色(如果浓度高的话可能就是如视频中的棕色沉淀了)。

然后加入氢氧化钠,应该是生成氧化铜了。不太可能是过氧化铜,因为根据维基百科介绍,过氧化铜的制备需要在低温下——高于6℃就会快速分解[1],而且应该是绿色的。

最后加入盐酸后,应该产生的气体主要是氧气了,来源于剩余的过氧化氢的分解。从热力学上看不应该含有氯气和臭氧。但是热力学只是平衡态下的情况,而实际反应过程比较剧烈很可能非常远离平衡态。

这是有可能其中含有一些OH自由基,还有超氧酸——你们可听说过2005年全国高中化学竞赛题[2]?所以产生一些氯气是有可能的。感谢 @Studio TBsoft 提及他之前用HCl+H2O2+Cu很明显能闻到氯气气味。

在文献中也有关于Cu(I),超氧酸(HO2)和羟基自由基(·OH)的报道。一般用过渡金属离子与过氧化氢反应都会产生OH自由基。用铁离子的研究更多,但是实际上铜离子的反应速率更快![3]


综上:

这个反应甚至目前机理尚不完全明确。产生的黑色沉淀可能是氧化铜;产生的气体应该主要是氧气,但是可能带了一些OH自由基和超氧酸甚至氯气,所以导致的不舒服。

另外,自己做化学实验,强烈建议还是要添加必要的防护措施——比如通风橱,否则这些产生气体的实验对身体不太好的。

参考

  1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Copper_peroxide
  2. ^ https://wenku.baidu.com/view/65fd1ee1172ded630b1cb640.html
  3. ^Free-radical generation by copper ions and hydrogen peroxide https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1135108/

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