碳還原氧化銅產物的再探究

楊道華　李清

摘要：“木炭還原氧化銅”是人教版化學上冊第六單元教材中的一個演示實驗，按照教材中的操作反應時間過長，實驗現象不明顯。而改用小試管和家用噴火槍之后，微小精悍，屢試屢驗。

關鍵詞：實驗改進小試管噴火槍

“木炭還原氧化銅”是人教版九年級化學教材上冊第111頁中的一個重要的演示實驗，這個實驗許多教師演示時很難做出明顯的效果。筆者在《中學化學教學參考》2010年第1、2期發表的《碳還原氧化銅產物的探究》中曾經對反應的藥品及配比做過重點探究，達到較好的效果，但很多教師在此方法的嘗試中效果往往不盡如人意。因此，筆者和同事開始了進一步的探究，重點在儀器和裝置的探究上。筆者查閱了相關文獻，對實驗進行了大膽的改進和探究，摸索出幾種效果明顯、操作簡單的實驗方法。改進后的實驗，操作簡便、節約藥品、綠色環保、實驗現象明顯。

一、教材中實驗的不足之處

教材中的實驗存在三處不足之處。

1.對藥品自身質量和配比要求嚴格。用普通的木炭粉或活性炭粉等做實驗，實驗現象不夠明顯。即使采用分析純木炭與氧化銅按照合適的質量配比達到明顯的實驗效果，但存放一段時間后，有經常達不到剛配比時的效果的情況，導致實驗現象不明顯。

2.實驗準備煩瑣，攜帶不便。需要準備鐵架臺、試管、單孔膠塞和導氣管、小燒杯、酒精燈、氧化銅、木炭粉和石灰水，實驗儀器與藥品的準備比較麻煩。

3.實驗持續時間長，實驗現象不明顯。用酒精燈加熱的熱效太低，持續數分鐘都很難出現實驗現象。即使偶然出現黑色粉末變紅的現象，待到冷卻以后，倒出來的固體也很難是紅色的粉末，仍舊是黑色的粉末。最終導致實驗失敗，教師于是草草結束實驗。

正因為以上原因，教師們教學此內容的時候，基本上放棄了演示實驗的環節，改成了枯燥保守的理論說教，或者直接用播放視頻來代替，錯過了師生在真正實驗教學中共同學習的時機。

二、問題的提出

實驗持續時間過長和實驗現象不明顯的主要原因是什么呢？我們展開了猜想和分析。

1.溫度過低。相關論文研究發現出現紅色的銅是因為生成熔融狀態的銅的顆粒，但溫度過低也可能產生CuO，而出現熔融的物質要求此實驗的溫度應該在600 ℃以上，酒精燈外焰加熱的溫度應該較低，遠遠低于600 ℃。所以常規實驗現象不明顯，且可能產生CuO。

2.“封閉”體系不好。原裝置貌似封閉，實則裝置內殘留的空氣始終無法排除，滯留在裝置中，只是暫時被產生的CO向下驅趕至試管口，待到溫度降下來之后，CO密度會變大，CO下沉，空氣會上浮，空氣中的氧氣會與紅熱的銅反應生成氧化銅，紅色的粉末會再次變黑。

三、實驗的驗證

（一）酒精燈加熱時候，試管中的溫度

碳還原氧化銅的實驗，熱力學不需要很高的溫度，但由于動力學的緣故，固固反應的復雜性，木炭還原氧化銅需要的溫度在600 ℃以上。

根據《實驗教學與儀器》中的一篇關于酒精燈火焰溫度的介紹，再綜合考慮酒精燈燈芯的粗細長短、加熱時間，所選的火焰的位置等因素，酒精燈火焰的理想溫度尚且很低（一般不到600 ℃），受熱物質的實際溫度高于400 ℃的可能性不大。

另外，考慮試管熔化的溫度，即玻璃的軟化點是519 ℃，書中的實驗說明用酒精燈加熱的方法，真正做起書上的實驗，試管都沒有軟化，木炭還原氧化銅溫度就不可能達到600 ℃。

實際上，加熱大約1分鐘后，用紅外探測儀測得試管內溫度是369 ℃。

四、實驗的改進

（一）改進熱源和反應容器

1.為了解決加熱源的問題，我們采用了市場出售的CAMPINGMOON多功能家用噴火槍（MT2915型），其溫度可以調節到1300 ℃，電子打火，操作方便。

2.“封閉”體系問題的解決：取一根普通的導氣管，用家用噴火槍把導氣管從中間燒化，封閉細口徑玻璃管的一端，做成兩個細口徑小試管待用。

（二）實驗器材

1.實驗儀器：家用噴火槍一個;上述自做的小試管1支;試管夾一個;藥匙一個。

2.實驗藥品：按照配比1∶13（最好木炭偏多一點，目的是使氧化銅完全反應）混合木炭和氧化銅粉末。

（三）實驗步驟

1.裝藥：把混合后的藥品，用藥匙小的一端，略取少許，加入自制的小試管。

2.固定：用試管夾夾住小試管的中上部。

3.點火：打開電子噴槍。

4.加熱：先來回移動，充分預熱，然后固定加熱。

5.觀察：觀察實驗時的現象;觀察試管冷卻后的現象。

五、實驗與分析

（一）采取豎直加熱的方式，火焰集中，藥品受熱充分，溫度提升快（實測溫度超過800 ℃），加熱20秒，就能觀察到實驗現象，所用時間比原實驗方案明顯縮短，實驗現象十分明顯。

（二）所用藥品的質量和配比要求，不必那么嚴苛，而且采取微型實驗，節約了藥品。所用的木炭粉，無論什么樣的質量，甚至紙屑燃燒的灰燼、活性炭的粉末都行;配比的要求也不必那么嚴格;微型實驗所用的藥品較少，節約了藥品。

（三）加熱源的改進，取材來自市場，取材廣泛，方便操作且易控制高溫，安全可靠。

（四）形成的體系，氣體不容易對流，相對穩定。因為內徑很小，所以產生的CO2不易和空氣形成對流，而且很容易把空氣趕出小試管外，這樣，就形成了相對封閉的無氧環境，可以有效防止高溫下的銅粉再次被氧化成黑色的氧化銅。

（五）節約器材。該實驗中，由于生成的銅粉是微小的熔融的顆粒狀，會鑲嵌在小試管的內壁里，做完實驗的試管等于報廢，而改用導氣管做成的小試管，因為是用廢掉的導氣管做的，所以做到了節約器材。

（六）實驗產物驗證為銅

為了防止生成物是CuO，可以向生成物中加入稀硫酸，根據CuO+HSO₄CuSO+Cu+HO，不見溶液變藍，說明實驗是成功的。

六、總結和反思

經過以上研究分析，總結反思如下。

（一）此法對氧化銅的質量要求較低，對木炭粉的要求不嚴。木炭粉只要為粉末狀即可，不必為180目以上，甚至燒過的灰燼或碾碎的活性炭，都是很好的藥品。

（二）木炭與氧化銅的配比為1∶13或略大些為好。

（三）熱源為電子噴槍，溫度易調節，且操作方便。

（四）不必烘干藥品，只需要操作時先預熱好，把冷凝水烘出玻璃管或趕到玻璃管的上端（因為所用藥品少，冷凝水不會多，所以掛在內壁上，不會流下來）即可。

（五）采取一段封閉的玻璃管，產生的CO不會與空氣形成對流，形成了沒有氧氣的封閉的環境。

參考文獻：

[1]蒯世定，楊道華.碳還原氧化銅產物的探究[J].中學化學教學參考，2010（12）：4950.

[2]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）：3739.

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[4]凌一洲.基于DIS高溫傳感器探究酒精燈火焰的溫度[J].實驗教學與儀器，2015（5）：6365.

責任編輯：唐丹丹