碳還原氧化銅的探究

劉 彬

（徐州市銅山中學 江蘇 徐州 221100）

碳的還原性是中學化學教學中的一個重點，而碳還原氧化銅的演示實驗又是教學中的一個難點。它是中學化學中首次接觸的固相反應，而且是典型的高溫固相反應。碳和氧化銅均為黑色物質，如果配比不當，其中任何一種物質的剩余都會影響實驗結果的觀察。再者，該反應活化能較高，800℃才開始反應，在此高溫下較易生成銅鏡，現象明顯。但是這又會因試管局部受熱而變形甚至損壞，造成了一定的經濟損失，而且試劑的用量也較大，無論從實驗教學效果的角度還是從經濟與環保的角度看，該實驗都需要改進。

為此，國內外有關學者作了大量的研究工作，對該實驗從不同角度進行了改進，許多學者從實踐和實用的角度提出了改進方案，例如通過顏色比較來判斷生成物的化學成分，然后根據所生成的銅鏡效果來確定最佳配比；有的是利用逐一驗證法反復實驗，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條件是什么？到底應采用什么實驗裝置和方法呢？經過探索，我采用微型實驗并利用正交試驗這種數理統計方法來分析，同時分離并稱量出反應生成的單質銅的質量。這樣不僅實驗效果明顯，而且避免了不必要的重復。將反應物用量由常規用量的3g減少到0．050g，反應時間縮短到1min左右，這樣更易于找到最佳的反應條件。

將常規試管改為Φ7×85mm的硬質玻璃管，微縮后的氧化銅很容易被還原為光亮的銅鏡。采用微型實驗能節省藥品，減少廢棄物的排放，顯著提高了實驗效果。微型實驗儀器精致小巧，很適合學生分組實驗。另外從環境保護和節約資源的角度出發，這樣也有助于培養學生的環保意識。

一、實驗儀器與試劑

Φ7×85mm硬質玻璃管，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、實驗裝置

三、實驗步驟

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．實驗方法

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

（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后分別裝入三個稱量瓶中，貼上標簽。 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）設計正交試驗表，按表格稱量反應物進行實驗。檢測銅和氧化銅的含量。

四、實驗數據

1．收率實驗因素水平表

表1 收率實驗因素水平表

2.收率實驗方案表

表2 收率實驗方案表

3.銅的收率的計算

表3 銅的收率的計算

接上表

五、理論分析

在 C（s）+2CuO（s）＝2Cu（s）+CO2（g）反應中，

由計算知，△Hθ298＜0、△Sθ298＞0、△Gθ298＜0，從理論上分析，該反應在常溫下為自發過程，但實際上該反應在常溫下很難進行。在高溫體系中，可能存在更多的物質：C、CuO、Cu2O、CO、CO2等，產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］，具體反應的熱力學計算（數據來自文獻［3］）如下：

表4 相關反應的熱力學數據

由表4知，四種反應均有可能發生，隨溫度升高，反應更易進行，由于△GθT（1）與△GθT（2）、△GθT（3）與△GθT（4）接近，反應物應含有氧化亞銅和銅，故要求強化還原氣氛（即碳量稍多些），使生成的氧化亞銅進一步還原為銅。

六、正交實驗的結果分析

1.因素主次的確定

比較三個因素的極差，可見A（即碳與氧化銅的質量比）的極差最大，其次是C（即混合物的總質量），而B（即碳的種類）的極差最小，極差越大，反映該因素水平變動時指標的變化越大，因此可以按照極差的大小順序排出因素由主到次的順序為：A→C→B。

2．反應條件的選擇原則

將各個因素的好水平組合起來，一段會得到較好的反應條件，但是，我們還應同時考慮因素的主次，在同樣滿足指標要求的情況下，對一些比較次要的因素可以按照制取方便、價格便宜的原則來選取水平。

3．反應條件的確定

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時收率約為90．220%；取水平B1時收率約為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條件，但從實驗方便的角度考慮，A2B1C2為最佳的實驗條件。

七、討論

1．碳的選擇

通過查閱資料，我發現碳還原氧化銅實驗中的碳主要有以下五種：木屑、碳棒、活性炭、蔗糖脫水炭、木炭。經過反復定性實驗，選擇活性炭、脫水炭、木炭作為一個因素的三個水平。

2．確定比例

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

3．反應物質量的選擇

剛開始， 分別將反應物質量定為 0．003g、0．006g、0．009g，實驗后發現效果并不好，實驗的產物中幾乎都有黑色物質存在，其中0．009g效果稍好。后來，將反應物質量增加到 0．009g、0．018g、0．027g，完成 18 個試驗后，由結果看出 0．027g 效果更好， 最后， 選擇了 0．050g、0．075g、0．100g作為一個因素的三個不同水平進行正交試驗，效果明顯。

4．反應裝置的選擇

由于微型試驗中反應物用量少，反應溫度高，故采用硬質玻璃管Ф7×85mm制作微型儀器，用酒精噴燈作熱源，現象明顯，而且不會破裂，玻璃管可以反復使用。

5．二氧化碳的檢驗

采用尖嘴半球型玻璃管檢驗二氧化碳，因為尖嘴可以使二氧化碳有較長的停留時間，體系與大氣相通，而半球型玻璃管易于存放澄清石灰水，此裝置檢驗現象明顯，而且可以反復使用。

［1］ 王錦化．微型無機化學實驗儀器的設計［J］．教學儀器與實驗，1997，（4）

［2］ 葉大論．實用無機物熱力學數據手冊［M］．北京：冶金工業出版社，2002

［3］ 陳達輝，龍光宇．碳還原氧化銅實驗的改進［J］．實驗教學與儀器，1994，（Z1）

［4］ 向慶華，李慈．用木炭和氧化銅做“銅熱劑”實驗［J］．化學教學，1999，（12）

［5］ 傅獻彩，沈文霞，姚天揚．物理化學［M］．北京：高等教育出版社，1990．5

［6］ 董耀華．炭還原氧化銅的實驗探討與改進［J］．教學儀器與實驗，2000，（11）