碳還原氧化銅的探究

劉 彬

（徐州市銅山中學(xué) 江蘇 徐州 221100）

碳的還原性是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)，而碳還原氧化銅的演示實(shí)驗(yàn)又是教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)。它是中學(xué)化學(xué)中首次接觸的固相反應(yīng)，而且是典型的高溫固相反應(yīng)。碳和氧化銅均為黑色物質(zhì)，如果配比不當(dāng)，其中任何一種物質(zhì)的剩余都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察。再者，該反應(yīng)活化能較高，800℃才開(kāi)始反應(yīng)，在此高溫下較易生成銅鏡，現(xiàn)象明顯。但是這又會(huì)因試管局部受熱而變形甚至損壞，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失，而且試劑的用量也較大，無(wú)論從實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的角度還是從經(jīng)濟(jì)與環(huán)保的角度看，該實(shí)驗(yàn)都需要改進(jìn)。

為此，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者作了大量的研究工作，對(duì)該實(shí)驗(yàn)從不同角度進(jìn)行了改進(jìn)，許多學(xué)者從實(shí)踐和實(shí)用的角度提出了改進(jìn)方案，例如通過(guò)顏色比較來(lái)判斷生成物的化學(xué)成分，然后根據(jù)所生成的銅鏡效果來(lái)確定最佳配比；有的是利用逐一驗(yàn)證法反復(fù)實(shí)驗(yàn)，然后選擇最好的加熱方式和最佳配比。究竟碳還原氧化銅的最佳反應(yīng)條件是什么？到底應(yīng)采用什么實(shí)驗(yàn)裝置和方法呢？經(jīng)過(guò)探索，我采用微型實(shí)驗(yàn)并利用正交試驗(yàn)這種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來(lái)分析，同時(shí)分離并稱量出反應(yīng)生成的單質(zhì)銅的質(zhì)量。這樣不僅實(shí)驗(yàn)效果明顯，而且避免了不必要的重復(fù)。將反應(yīng)物用量由常規(guī)用量的3g減少到0．050g，反應(yīng)時(shí)間縮短到1min左右，這樣更易于找到最佳的反應(yīng)條件。

將常規(guī)試管改為Φ7×85mm的硬質(zhì)玻璃管，微縮后的氧化銅很容易被還原為光亮的銅鏡。采用微型實(shí)驗(yàn)?zāi)芄?jié)省藥品，減少?gòu)U棄物的排放，顯著提高了實(shí)驗(yàn)效果。微型實(shí)驗(yàn)儀器精致小巧，很適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。另外從環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源的角度出發(fā)，這樣也有助于培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

一、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

Φ7×85mm硬質(zhì)玻璃管，陶土塞，酒精噴燈，尖嘴半球型玻璃管［1］，乳膠塞，322B微量分析天平，碳粉與氧化銅，新配制的澄清石灰水。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

三、實(shí)驗(yàn)步驟

1．儀器制作

陶土塞：如圖2所示，用陶土做成雙層塞晾干后，1000℃焙燒即可。

2．實(shí)驗(yàn)方法

（1）將18支稱量瓶洗滌，烘干。制備蔗糖脫水炭并研細(xì)，烘干活性炭和木炭，研細(xì)備用。

（2）按照 m（C）∶m（CuO）＝1∶11 的比例分別稱取三種碳和氧化銅的混合物研磨10到20 min后分別裝入三個(gè)稱量瓶中，貼上標(biāo)簽。 同樣以 1∶11．5、1∶12、1∶12．5、1∶13、1∶13．5的比例分別按照步驟（2）稱取研磨后裝入稱量瓶。將18只稱量瓶放入干燥器中。

（3）設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，按表格稱量反應(yīng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。檢測(cè)銅和氧化銅的含量。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1．收率實(shí)驗(yàn)因素水平表

表1 收率實(shí)驗(yàn)因素水平表

2.收率實(shí)驗(yàn)方案表

表2 收率實(shí)驗(yàn)方案表

3.銅的收率的計(jì)算

表3 銅的收率的計(jì)算

接上表

五、理論分析

在 C（s）+2CuO（s）＝2Cu（s）+CO2（g）反應(yīng)中，

由計(jì)算知，△Hθ298＜0、△Sθ298＞0、△Gθ298＜0，從理論上分析，該反應(yīng)在常溫下為自發(fā)過(guò)程，但實(shí)際上該反應(yīng)在常溫下很難進(jìn)行。在高溫體系中，可能存在更多的物質(zhì)：C、CuO、Cu2O、CO、CO2等，產(chǎn)物之一的二氧化碳與碳又存在如下平衡：CO2+C＝2CO，高溫下如在900℃，平衡氣相組成中一氧化碳占34.0%，而二氧化碳只有0.2%［2］，具體反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算（數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)［3］）如下：

表4 相關(guān)反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)

由表4知，四種反應(yīng)均有可能發(fā)生，隨溫度升高，反應(yīng)更易進(jìn)行，由于△GθT（1）與△GθT（2）、△GθT（3）與△GθT（4）接近，反應(yīng)物應(yīng)含有氧化亞銅和銅，故要求強(qiáng)化還原氣氛（即碳量稍多些），使生成的氧化亞銅進(jìn)一步還原為銅。

六、正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

1.因素主次的確定

比較三個(gè)因素的極差，可見(jiàn)A（即碳與氧化銅的質(zhì)量比）的極差最大，其次是C（即混合物的總質(zhì)量），而B(niǎo)（即碳的種類）的極差最小，極差越大，反映該因素水平變動(dòng)時(shí)指標(biāo)的變化越大，因此可以按照極差的大小順序排出因素由主到次的順序?yàn)椋篈→C→B。

2．反應(yīng)條件的選擇原則

將各個(gè)因素的好水平組合起來(lái)，一段會(huì)得到較好的反應(yīng)條件，但是，我們還應(yīng)同時(shí)考慮因素的主次，在同樣滿足指標(biāo)要求的情況下，對(duì)一些比較次要的因素可以按照制取方便、價(jià)格便宜的原則來(lái)選取水平。

3．反應(yīng)條件的確定

本例中因素A是主要因素，必須取它的好水平A2，因素C是第二重要的因素，取水平C2較好，因素B是次要因素，取水平B2時(shí)收率約為90．220%；取水平B1時(shí)收率約為89．587%，收率降低不多，但制取蔗糖脫水炭卻很麻煩，可取活性炭代替蔗糖脫水炭，因此，A2B2C2或A5B1C2都可能是較好的反應(yīng)條件，但從實(shí)驗(yàn)方便的角度考慮，A2B1C2為最佳的實(shí)驗(yàn)條件。

七、討論

1．碳的選擇

通過(guò)查閱資料，我發(fā)現(xiàn)碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)中的碳主要有以下五種：木屑、碳棒、活性炭、蔗糖脫水炭、木炭。經(jīng)過(guò)反復(fù)定性實(shí)驗(yàn)，選擇活性炭、脫水炭、木炭作為一個(gè)因素的三個(gè)水平。

2．確定比例

碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)中，理論值 m（C）∶m（CuO）＝1∶13．3，但是按這種比例實(shí)驗(yàn)效果并不好，為此我在 1∶11～1∶13．5前后展開(kāi)， 確定了六種配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：1∶11、1∶11．5、1∶12、1∶12．5、1∶13、1∶13．5。

3．反應(yīng)物質(zhì)量的選擇

剛開(kāi)始， 分別將反應(yīng)物質(zhì)量定為 0．003g、0．006g、0．009g，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)效果并不好，實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物中幾乎都有黑色物質(zhì)存在，其中0．009g效果稍好。后來(lái)，將反應(yīng)物質(zhì)量增加到 0．009g、0．018g、0．027g，完成 18 個(gè)試驗(yàn)后，由結(jié)果看出 0．027g 效果更好， 最后， 選擇了 0．050g、0．075g、0．100g作為一個(gè)因素的三個(gè)不同水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，效果明顯。

4．反應(yīng)裝置的選擇

由于微型試驗(yàn)中反應(yīng)物用量少，反應(yīng)溫度高，故采用硬質(zhì)玻璃管Ф7×85mm制作微型儀器，用酒精噴燈作熱源，現(xiàn)象明顯，而且不會(huì)破裂，玻璃管可以反復(fù)使用。

5．二氧化碳的檢驗(yàn)

采用尖嘴半球型玻璃管檢驗(yàn)二氧化碳，因?yàn)榧庾炜梢允苟趸加休^長(zhǎng)的停留時(shí)間，體系與大氣相通，而半球型玻璃管易于存放澄清石灰水，此裝置檢驗(yàn)現(xiàn)象明顯，而且可以反復(fù)使用。

［1］ 王錦化．微型無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)［J］．教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，1997，（4）

［2］ 葉大論．實(shí)用無(wú)機(jī)物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2002

［3］ 陳達(dá)輝，龍光宇．碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］．實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，1994，（Z1）

［4］ 向慶華，李慈．用木炭和氧化銅做“銅熱劑”實(shí)驗(yàn)［J］．化學(xué)教學(xué)，1999，（12）

［5］ 傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)．物理化學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，1990．5

［6］ 董耀華．炭還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)探討與改進(jìn)［J］．教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2000，（11）