碳粉還原氧化銅最佳實驗條件探究

付立海

(通化師范學院 化學學院, 吉林 通化 134002)

?

碳粉還原氧化銅最佳實驗條件探究

付立海

(通化師范學院 化學學院, 吉林 通化 134002)

碳粉還原氧化銅實驗受很多條件的影響，是中學階段學生們很難做成功的一個重要實驗.通常認為影響最大的是反應物的干濕程度、反應物的顆粒大小、反應物的總質量、反應物的質量比等幾方面因素.本研究首先從熱力學角度對該實驗進行理論分析，然后在反應物烘干與未烘干、反應物顆粒大小、反應物總質量、反應物質量比等因素影響的實驗條件下分別進行實驗，探究碳粉還原氧化銅的最佳實驗條件.實驗結果表明，碳粉還原氧化銅的最佳實驗條件是：用烘干的、研磨的碳粉和氧化銅；碳粉和氧化銅總質量是4.4g；碳粉和氧化銅質量比是1：10.

碳粉；氧化銅;最佳實驗條件

“碳粉還原氧化銅”實驗是中學化學中的典型實驗,也是高師化學教學論實驗中進行實驗條件控制方法訓練的典型實驗.該實驗有兩個主要目的，一是向學生直觀展示說明單質碳具有還原性，在較高的溫度下它可以奪取一些氧化物中的氧，使其發生還原反應，二是體會控制實驗條件對實驗結果的影響.該實驗成功的現象：(1)出現紅熱現象；(2)澄清的石灰水變渾濁；(3)有金屬光澤顆粒較大的銅珠生成.查閱了近幾年的中學化學實驗文獻,可以找到很多篇對該實驗進行不同角度的研究報告.1996年，劉懷樂將試管裝置改成平臥式、選擇碳粉和氧化銅的質量比為1:10.6進行實驗探究.實驗結果表明,用酒精燈加熱就能使該實驗發生劇烈反應,反應過程中出現紅熱、火星并伴有大量氣體生成[1].但經過他的探究，發現此實驗很難做成功,因此仍把它列為初中化學較難的實驗之一[2].2003年,李健生將還原劑碳粉換作未干燥的活性炭，用酒精噴燈作為熱源來進行此實驗[3].2003年，錢亞兵等分別以木炭、炭黑、活性炭、石墨粉與氧化銅混合，將U型管改為Y型管，用酒精燈作為熱源進行實驗.實驗結果表明，碳粉與氧化銅的質量比為1:9～1:11之間時實驗效果好[4].2005年，郝金聲等選擇碳粉與氧化銅質量比為1:4、1：7、1:10和1:13.2，并分別將這四組不同比例的反應物混合，總質量分別為1g、2g、5g，用酒精噴燈作為熱源進行實驗.實驗結果表明，總量為5g、碳粉和氧化銅的質量比為1:13.2的混合物效果較好[5].2005年，賈玉江等將普遍使用的實驗裝置平臥式改為直立式，用酒精燈作為熱源，選取碳粉和氧化銅的質量比為1:11進行實驗，實驗成功率達90%[6].2006年，楊華麗等制備堿性氧化銅與碳粉反應，用酒精燈作為熱源.實驗結果表明，碳粉還原新制成的堿性氧化銅，質量比為1:10的實驗效果較好[7].2008年，張翼等用不同質量比、不同種類、不同純度、不同混合程度的碳粉和氧化銅，并采用不同熱源進行實驗探究.實驗結果表明，碳粉和氧化銅的質量比為1:11.5，碳粉選擇還原性碳粉、氧化銅選擇分析純，混合物研磨時間為15min及以上,用火焰溫度較高且穩定的酒精噴燈作為熱源進行的實驗較好[8].2009年，楊紹武用電烙鐵作為熱源,不直接用碳粉還原氧化銅而是先氧化纏繞好的銅絲,再用碳粉還原氧化銅[9].2013年，宋婷等用不同規格的試管，采用自制的三芯燈作為熱源進行實驗[10].可以看到,實驗探究所用的方法和得到的結論都不盡相同,足以說明這個實驗的復雜性和難成功性.

綜上所述，該實驗的改進方式主要是從以下五個方面進行：(1)用不同種類的反應物；(2)用不同質量比的反應物；(3)用不同的熱源，改變實驗溫度；(4)改變實驗裝置；(5)用不同總量的混合物.本文在大量的實驗基礎上對影響該實驗的各種因素進行了研究，重點對反應物的干燥程度、反應物的混合方式、反應物的總質量、反應物的質量比進行研究，探究出了該實驗的最佳條件.

1 熱力學分析及影響因素探討

1.1 熱力學分析

對碳粉還原氧化銅實驗進行熱力學分析:

查手冊得：

根據公式

2mol×(-127.2KJ·mol-1)=

-139.98KJ·mol-1

從計算可知,ΔrGmθ=-139.98KJ·mol-1<0，所以該反應為自發反應.

可得kθ=3.3×1024

該反應的平衡常數kθ=3.3×1024，反應程度很大，即反應可以進行得很完全.

根據公式

ΔfHmθ(C))=-393.51KJ·mol-1-

2mol×(-155.2KJ·mol-1)=

-83.11KJ·mol-1

從計算可知,ΔrHmθ=-83.11KJ·mol-1<0，所以該反應為放熱反應.

1.2 影響因素

影響該實驗的主要因素是反應的溫度.通過對該實驗現象的觀察和分析，影響該實驗的因素還有:(1)反應物是否干燥；(2)反應物的顆粒大小；(3)反應物的總質量；(4)反應物的質量比.

2 實驗設計思路

綜合以上的分析，本研究的實驗思路如下：

(1)探討反應物的干濕程度對實驗的影響，確定出干濕程度.

(2)將(1)中得到的結果定為已知的實驗條件繼續探討反應物的顆粒大小和混合方式.

(3)再將(1)和(2)中的結果作為實驗已知條件，探討反應物的總質量對實驗的影響，探討總質量為1.1g、2.2g、3.3g、4.4g、5.5g.

(4)最后將前三個實驗探討的結果作為第四個探討的已知條件，探討反應物的質量比.值得注意的是，雖然根據化學方程式計算出來的理論比例為1：13.3，但是實際實驗過程中，由于試管中存在大量的空氣，這種情況下就會消耗一部分碳粉，即要求碳粉過量，所以本研究選取反應物的比例為1:4～1:13.

3 實驗部分

3.1 實驗原理

該實驗為固體與固體之間的放熱反應，反應過程中出現紅熱、火星等實驗現象.

3.2 實驗藥品和儀器

(1)藥品：活性碳粉(AR,國藥集團化學試劑有限公司，20140603)、氧化銅粉(AR,天津科密歐化學試劑有限公司，20140110)、澄清石灰水.

(2)儀器：石英試管(20×200mm)、鐵架臺(帶鐵夾)、酒精噴燈、托盤天平、電子天平、燒杯、帶膠塞的導管、石棉網、研缽.

3.3 實驗裝置

圖1 實驗裝置圖

3.4 實驗過程

(1)反應物干燥程度對實驗的影響.將碳粉和氧化銅放到150℃的烘箱中烘干30min.待冷卻至室溫后，稱取0.1g碳粉，0.7g氧化銅(選擇1:7進行實驗，碳粉要過量).再稱取一份相同質量的未烘干的藥品，分別充分混合但不研磨，裝入試管中.用酒精噴燈加熱，觀察實驗現象，實驗結果記錄如表l.

表1 反應物干燥程度對實驗的影響

通過上述實驗現象可以表明，碳粉和氧化銅在烘干的條件下反應效果更好.因為未烘干的碳粉和氧化銅中含有大量的水分，加熱過程中有水蒸氣生成，會影響實驗效果.

(2)反應物顆粒大小及混合方式對實驗的影響.稱取烘干冷卻后的碳粉0.1g，氧化銅0.7g(選擇1:7進行實驗，碳粉要過量)，進行研磨(研磨15min)混合.再稱取一份相同質量的不研磨的藥品，充分混合，裝入試管中.用酒精噴燈加熱，觀察實驗現象，實驗結果記錄如表2.

表2 反應物顆粒大小及混合方式對實驗的影響

通過上述實驗現象可以看出，碳粉和氧化銅在烘干、研磨的條件下反應效果更好.因為研磨過的碳粉和氧化銅有更大的接觸面積，使其充分接觸反應.

(3)反應物總質量對實驗的影響.分別稱取烘干研磨的反應物混合物(碳粉與氧化銅配比為1：10)1.1g，2.2g，3.3g，4.4g，5.5g，用酒精噴燈加熱，觀察實驗現象，實驗結果記錄如表3.

表3 反應物總質量對實驗的影響

表4 反應物的質量比實驗的影響(1:4～1:8)

表5 炭粉和氧化銅的質量比實驗(1:8～1:13)

通過上述實驗現象可以看出，碳粉和氧化銅在烘干、研磨、總質量為4.4g的條件下反應生成的光亮銅珠最多，效果更好.

(4)反應物的質量比對實驗的影響.①分別稱取烘干冷卻研磨總質量為4.4g、碳粉和氧化銅質量比為1:4～1:13(碳粉要過量),分別充分混合，裝入試管中.②用酒精噴燈加熱，觀察實驗現象，實驗結果記錄如表4和表5.

通過上述實驗現象可以看出，碳粉和氧化銅在烘干、研磨、總質量為4.4g、質量比為1:10的條件下反應效果最好.

4 實驗結論

綜上,可以得出碳粉還原氧化銅實驗的最佳條件：

(1)碳粉和氧化銅在烘干混合的條件下實驗效果好，使藥品保持干燥以至于沒有水珠生成，影響實驗效果.

(2)碳粉和氧化銅在研磨混合的條件下實驗效果好，增大接觸面積，使兩者充分反應.

(3)碳粉和氧化銅的總質量為4.4g的條件下實驗效果好，以便有足夠的熱量放出.

(4)碳粉和氧化銅在質量比為1:10的條件下實驗效果好.

(5)酒精噴燈距離試管約2cm左右實驗效果好，以便可以達到實驗所需的溫度.

[1]劉懷樂.中學化學實驗與教學研究[M].重慶:西南師范大學出版社,1996:54-55.

[2]劉懷樂.中學化學教學實證與求索[M].重慶:西南師范大學出版社,2002:12-13.

[3]李建生.用未干燥的活性炭做“木炭還原氧化銅實驗”[J].教學儀器和實驗,2003(8):31.

[4]錢亞兵,鮑正榮.碳還原氧化銅實驗研究[J].實驗教學與儀器,2003(9):15-17.

[5]郝金聲，余躍東,周進康.木炭還原氧化銅最佳實驗條件研究[J].中學化學教學參考,2005(5):37-39.

[6]賈玉江,賈華娜.木炭還原氧化銅實驗教學研究[J].中學化學教學參考,2005(1,2):64.

[7]楊華麗，王亞茹，康永勝，等.碳粉還原氧化銅實驗探究[J].實驗教學與儀器,2006(2):27-28.

[8]張翼,黎國蘭.碳還原氧化銅實驗條件優化探究[J].綿陽師范學院學報,2008(8):58-61.

[9]楊紹武.一種簡單又高效的木炭還原氧化銅的方法[J].化學教育,2009(4):31-32.

[10]宋婷，盧一卉，李遠蓉.木炭還原氧化銅實驗條件的探究[J].實驗教學與儀器,2013(9):37.

(責任編輯:王海波)

The Exploration on Optimum Conditions of Oxidation Reduction by Carbon Copper

FU Li-hai

(TonghuaNormalUniversity,Tonghua,Jilin134002,China)

Oxidation Reduction by Carbon Copper is an important experiment for secondary student. There are some factors affecting this experiment, such as humidity, particles size, total mass, quality of reactants. In this paper, some theoretical analysis is made for this experiment.Then, these factors is discussed. The optimal experimental condition is explored

toner；copper oxide; the optimal experimental condition

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.08.026

2016-06-14

通化師范學院教學研究課題“探究性化學實驗的創新教學模式研究”(JY2102027)

付立海，男，吉林白山人，副教授.

G808

A

1008-7974(2016)04-0080-04