提高木炭還原氧化銅成功率的方法

蘇江紅

(武漢華中科技大學同濟醫學院附屬中學，湖北 武漢 430000)

提高木炭還原氧化銅成功率的方法

蘇江紅

(武漢華中科技大學同濟醫學院附屬中學，湖北 武漢 430000)

將木炭粉與氧化銅粉末混合充分研磨，用酒精燈加熱能發生劇烈的氧化還原反應，固體生成物可能全部或部分是暗紅色粉末.利用新制得的反應物提高反應活性，控制好反應物比例，提升反應溫度，使反應物能擴散穿過致密的產物層，順利完成晶體生長反應，可生成紅色光亮的金屬顆粒.

木炭還原氧化銅；實驗；成功率

木炭還原氧化銅是化學教學中的一個重要演示實驗，但在課堂上完美呈現的成功率不高.通過多次實驗，有如下幾點認識.

一、如何判斷木炭還原氧化銅的演示實驗是否成功？

木炭還原氧化銅是一個放熱反應，判斷實驗是否成功，有兩個非常明顯的實驗現象：一是試管里的物質呈現出通紅熾熱的劇烈燃燒的現象；二是反應后的固體生成物是光亮紅色金屬顆粒或金屬塊.為了驗證生成物中暗紅色粉末與光亮紅色金屬顆粒或金屬塊的成分，進行了如下試驗：

1.實驗操作：取2支試管，第一支裝入少許暗紅色粉末，第二支裝入光亮紅色金屬塊，再分別往2支試管中加入約10mL稀硫酸，用酒精燈分別將兩支試管微微加熱2min.

2.實驗現象：第一支加熱后暗紅色粉末明顯減少且溶液由無色變為藍色；第二支加熱后亮紅色的金屬塊沒有明顯變化且溶液依然呈無色.

3.實驗結論：暗紅色粉末含有較多氧化亞銅，而光亮紅色金屬顆粒或金屬塊是純度較高的銅.

二、為什么要將反應固體混合物充分研磨？

木炭還原氧化銅是兩種固體粉末間的反應，固體質點間作用力很大，運動范圍小，反應很難進行.溫度升高，晶格中的質點取得位移所必需的活化能后，就可克服周圍質點的作用，在晶體內部進行位置的交換，也可擴散到晶體表面，并擴散到與之相接觸的鄰近的其它晶體內進行化學反應.這種固體間質點擴散的過程，就導致了固體間反應的發生.

將反應物混合充分研磨后，反應物的顆粒越小，它的比表面越大，物質擴散的截面越大，反應能力和擴散能力越強.研磨時間增大，細顆粒聚結形成二次顆粒，反而減小了表面積，調整了缺陷、緩和了應力，活性降低；二次粒子也會隨繼續研磨而破壞，使比表面積變化呈波浪型，過度研磨無作用.

三、為什么能觀察到劇烈燃燒現象，固體生成物卻不一定有光亮紅色的金屬顆粒？

反應開始生成的產物分子分散在母體反應物中,只能當作一種雜質或缺陷的分散存在,只有當產物分子達到一定數量, 才能出現產物的晶核,從而完成成核過程.當反應后固體生成物成為光亮金屬顆粒時，試管口的棉花會呈焦糊狀，若固體生成物是暗紅色粉末，試管口的棉花沒有出現焦糊狀.說明用酒精燈加熱可讓反應發生并呈現劇烈燃燒現象，但要使反應物擴散并穿過致密產物層，讓反應能夠繼續進行下去僅靠酒精燈加熱無法實現，必須利用反應本身釋放出大量的熱量積聚來提升溫度使反應繼續.

四、如何利用反應釋放出的熱量讓反應過程中的溫度能進一步提升，使固體生成物成為光亮金屬顆粒？

1.提升反應速率，單位時間內反應釋放出更多的熱量.

(1)新制得反應物與陳化后反應物反應性能不同，初生態反應物內部及表面缺陷結構多，晶格不完整，處于高能量活化狀態，具有很大反應活性.隨陳化時間增加，缺陷部分消失，活性會下降.

(2)反應物顆粒大小相同時，適度改變兩種反應物的比例，就會改變反應物總表面積和擴散截面積的大小，從而加快反應速率.從理論上進行計算，當碳與氧化銅的質量比為3∶40(1∶13.3)時，二者恰好完全反應.

(3)用帶防風罩的酒精燈對試管采用豎立式加熱，提升加熱效率，使反應物晶體中位移的質點獲得更多的活化能，物質擴散速率加快，反應速率更快.

2.讓反應釋放出的熱量集中于一處，使反應溫度進一步升高.

取研磨好的固體粉末于小號試管中，用玻璃棒將固體粉末壓緊壓實，用帶防風罩的酒精燈對試管采用豎立式加熱.小號試管空間小，反應釋放熱量更集中，利于提升反應過程中的溫度.將反應物粉末壓緊壓實，縮短了反應物顆粒間的距離，使反應物的接觸面積和物質擴散的截面增大，原子擴散距離縮短，反應速率更快；也能使反應釋放的熱量更集中，反應過程中溫度能繼續升高，加快產物新核的形成速率以及核的生長和擴展速率，有利于固體生成物成為光亮的金屬塊.

五、實驗操作

1.在整個實驗過程中要保持所有實驗器具潔凈干燥，若研缽內壁有很難清洗的附著物，可加適量食鹽充分研磨，再用水清洗干凈后晾干備用.

2.取堿式碳酸銅粉末在坩堝中邊加熱邊用玻璃棒緩緩攪動，能觀察到表面的固體粉末因分解產生的氣體沖出而運動，當粉末全部變成黑色且固體粉末表面完全平靜表明反應完全，停止加熱.

3.取幾塊木炭用研缽充分研磨，直到木炭粉中沒有顆粒狀木炭反光，將研磨好的木炭粉末置于坩堝中加熱至無水汽冒出即可.

4.稱取0.2g烘干的木炭粉和2.3g新制取的氧化銅粉末于研缽中，用力快速研磨5min.

5.取研磨好的固體粉末大約二分之一于小號試管中，用玻璃棒將固體粉末壓緊壓實，試管口塞一團棉花.剛開始加熱時，反應物整體被緩緩推升，此時可輕輕敲擊試管，使反應物整體下落到試管底部加熱兩分鐘左右會出現劇烈燃燒的紅熱狀態，反應結束后停止加熱，關閉止水夾冷卻至室溫.不用將固體生成物從試管中倒出，學生能直接觀察到試管底部的固體生成物有非常光亮的金屬光澤.若反應結束后持續加熱直到試管內紅熱現象褪去，試管底部可出現“銅鏡”現象.

[1]汪興源.木炭還原氧化銅實驗的探討[J].科學教育，1995(03).

2017-08-01

蘇江紅(1972.7-)，漢，男，湖北省松滋市，大學本科，中教一級，化學教育.

G632

A

1008-0333(2017)22-0092-02

責任編輯：季春陽]