木炭還原氧化銅實驗的分析與改進

劉車

摘要：根據(jù)木炭還原氧化銅的熱力學數(shù)據(jù)和反應物的特點，采用蠟燭炭黑代替木炭粉末，進一步增大了固體藥品間的接觸面積，使木炭還原氧化銅的反應速率更快，現(xiàn)象十分明顯。

關鍵詞：接觸面積，炭黑，氧化銅

文章編號：1008-0546（2020）05-0096-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.026

木炭還原氧化銅是人教版九年級化學中的一個重要實驗，也是一個現(xiàn)象不明顯而又耗時的實驗。在酒精燈加熱的條件下木炭與氧化銅反應的速率十分緩慢，實驗過程中能觀察到澄清石灰水變渾濁，但很難觀察到黑色粉末逐漸變紅的現(xiàn)象，通常只能觀察到黑色混合物中的少量固體有不明顯的變紅跡象。因此，許多教師嘗試了不同的改進方法。

一、分析反應原理

木炭還原氧化銅實驗可以追溯到我國古代的火法煉銅。古代人們利用炭火灼燒銅礦石得到了大量的青銅。那么，是什么原因?qū)е卵菔驹搶嶒灂r反應速率緩慢，現(xiàn)象不明顯的呢？木炭還原氧化銅是固相反應：2CuO（s）+C（s）=2Cu（s）+CO₂（g）。在298.15K時，該反應的熱力學數(shù)據(jù)如表1。

這些數(shù)據(jù)說明，炭還原CuO既是焓減少的反應又是熵增加的反應，可以自發(fā)進行。但是，由于實驗中用到的木炭和氧化銅都是固體顆粒，而固體顆粒的大小、形狀及混合程度都會影響到藥品間的接觸面積。如果木炭顆粒和氧化銅顆粒不能充分接觸，那么這兩種固體間就很難反應。所以，這兩種固體間的實際接觸面積小是導致該反應需要高溫加熱，而且速率緩慢的主要原因。要使該反應順利地快速進行，關鍵是要增大固體間的接觸面積，同時還要利用反應本身放出的熱量加快反應速率。因此，實驗中所用的木炭粉末和氧化銅粉末應該是越細越好，并且要將兩種粉末混合后充分研磨，使木炭粉末和氧化銅粉末最大程度地互相接觸，再將混合粉末堆放在試管底部，而不能平鋪在試管底部。

二、部分文獻中的改進方法

木炭還原氧化銅實驗一直是許多教師和教研工作者的研究對象，為了能夠觀察到明顯的實驗現(xiàn)象，縮短反應時間，不少教師從改變藥品、裝置或熱源等方式進行了改進。穆玉鵬把表面形成氧化銅薄膜的銅片埋人滑性炭中，用酒精燈加熱，發(fā)現(xiàn)銅片變亮，氧化銅被還原。李穎等在自制的胖肚管內(nèi)分別做了木炭粉和氧化銅粉末反應，以及木炭粉和表面有氧化銅的銅條反應兩個實驗，現(xiàn)象比較明顯。庭開軍證實了在木炭和氧化銅的混合物中加入CaCl₂、MgCl₂等金屬氯化物可降低反應的溫度要求，用酒精燈小火加熱就可以反應，且加熱時間短，反應速率快，成功率高達100%。周文元使用酒精噴燈加熱平臥型裝置中的燒烤用機制炭粉末和氧化銅粉末的混合物，得到了亮紅色銅塊。雖然這些改進方法取得了成功，但是與課本中的實驗相比有較大的不同。還有一些教師采用降低炭粉或氧化銅粉末顆粒大小的方法進行了改進。任娟等將木炭和固相反應法制備的納米氧化銅混合，用酒精燈的外焰加熱試管底部約1分鐘，發(fā)現(xiàn)澄清石灰水逐漸變渾濁，試管底的反應物產(chǎn)生紅熱現(xiàn)象，冷卻后得到了紅色的銅。馬本良等使用碳素墨水和氧化銅融合后晾干的方法，取得了成功?？梢姡档头磻镱w粒大小的改進方法是可行的。但制備這些顆粒更細小的炭粉或氧化銅粉末的過程相對比較復雜。

三、木炭還原氧化銅實驗的改進

炭黑顆粒非常細小，屬于納米粒子，用于制造油墨、油漆等，也用于做橡膠的補強劑。蠟燭炭黑是最常見的一種炭黑，它是極細的黑色粉末，有非常大的表面積，且易于收集。用蠟燭炭黑代替木炭粉末與氧化銅反應能進一步增大接觸面積，加快反應速率。

1.實驗儀器及藥品

鐵架臺、試管、酒精燈、燈罩、導管、彈簧夾、膠皮管、蠟燭炭黑、氧化銅粉末、澄清石灰水等。

2.實驗裝置

改進后的實驗裝置如圖1所示。酒精燈上的燈罩有防止火焰擺動，提高溫度的作用。導管的中部連有膠皮管，并配上彈簧夾，這是為了防止在停止實驗并冷卻時空氣進入試管導致生成的銅再被氧氣氧化。

3.實驗步驟

（1）用蒸發(fā)皿的底部接觸蠟燭火焰，收集蠟燭炭黑（也可以在蒸發(fā)皿中加入適量的水，降低蒸發(fā)皿的溫度，能收集較多的炭黑）;

（2）按木炭與氧化銅最佳質(zhì)量比1：10和1：11稱取兩種藥品共1.1g和1.2g，并在研缽內(nèi)充分研磨（研磨5-10分鐘）;

（3）將充分研磨后的固體混合物加入試管，堆放在試管底部，按圖1所示方式連接儀器，用加有燈罩的酒精燈加熱藥品，觀察現(xiàn)象;

（4）等到導管口不再有氣泡冒出時，用于彈簧夾夾緊膠皮管，將導管從試管中取出，熄滅酒精燈。

（5）待試管冷卻后，將試管中的藥品倒在白紙上觀察固體粉末顏色的變化。

4.改進后的實驗現(xiàn)象

預熱后，用酒精燈的外焰加熱十幾秒鐘就可以發(fā)現(xiàn)導管口冒出氣泡的速率明顯加快，澄清石灰水變渾濁，這是反應開始的標志，數(shù)據(jù)如表2。同時，固體混合物紅熱劇烈反應，并在紅熱的固體上方出現(xiàn)了少量黑煙，導管口冒出氣泡的速率進一步加快，試管里的石灰水幾乎要噴出試管口。固體紅熱后，很快導管口不再有氣泡冒出，說明反應已經(jīng)停止。在實驗過程中，從預熱到反應結(jié)束用時不到兩分鐘，有效縮短了反應時間。冷卻后，倒出試管中的固體，發(fā)現(xiàn)絕大部分的黑色固體已經(jīng)變成了紫紅色。

5.“異?！爆F(xiàn)象分析

在炭黑和氧化銅劇烈反應的紅熱固體上方出現(xiàn)了少量黑煙。這是因為炭黑粉末的密度遠小于氧化銅粉末的密度，而且十分細小，所以劇烈反應產(chǎn)生的大量二氧化碳氣體促使了部分未反應的炭黑顆粒與氧化銅顆粒互相剝離，產(chǎn)生了黑煙。取少量反應后剩余的黑色粉末于試管中，加入足量的稀硫酸，加熱，充分反應后可以發(fā)現(xiàn)溶液由五色變成淡藍色，同時液面上少量有黑色顆粒，說明氧化銅和炭黑都有少量剩余。這也是在加入藥品時，炭黑與氧化銅的質(zhì)量比要大于理論比的主要原因之一。