應(yīng)用氣體傳感器探究木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物

張玉珍

摘要：?設(shè)計(jì)W形管實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)兩組方案，分別從定性和定量角度探究“木炭還原氧化銅”反應(yīng)的氣體產(chǎn)物成分及其與反應(yīng)物量的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)證明木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物既有二氧化碳又有一氧化碳。運(yùn)用無線二氧化碳傳感器和一氧化碳傳感器驗(yàn)證該反應(yīng)的主要?dú)怏w產(chǎn)物為二氧化碳，通過增加反應(yīng)物氧化銅的量可以減少一氧化碳產(chǎn)生的量。

關(guān)鍵詞：?木炭還原氧化銅;?無線數(shù)字傳感器;?實(shí)驗(yàn)探究;?W形管

文章編號(hào)：?10056629（2021）07006505

中圖分類號(hào)：?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?B

1?問題的提出

“木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)是九年級(jí)化學(xué)教學(xué)中的重要演示實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)學(xué)習(xí)了質(zhì)量守恒定律，能夠根據(jù)質(zhì)量守恒定律猜測該反應(yīng)的氣體產(chǎn)物可能有三種情況：?（1）只有一氧化碳;（2）只有二氧化碳;（3）既有一氧化碳又有二氧化碳。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師多從化學(xué)方程式配平角度引導(dǎo)學(xué)生從理論上得出，當(dāng)氧化銅與木炭的物質(zhì)的量之比為2∶1時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)：?2CuO+C高溫2Cu+CO2↑。

近年來，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究木炭還原氧化銅氣體產(chǎn)物的成分已成熱點(diǎn)，但在教學(xué)中教師對于生成一氧化碳的問題往往并未做過多介紹，且教材裝置也只強(qiáng)調(diào)二氧化碳的檢驗(yàn)（見圖1），所以學(xué)生難以理解為什么會(huì)有一氧化碳產(chǎn)生、為什么大試管中固體減少的質(zhì)量與澄清石灰水中增加的質(zhì)量不一定相等。這部分知識(shí)往往成為學(xué)生遺留的難點(diǎn)。

因此，筆者嘗試在教材實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別利用W形管和氣體傳感器組合設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)一步探究“木炭還原氧化銅”氣體產(chǎn)物成分及其與反應(yīng)物量的關(guān)系。

2?W形管探究木炭與氧化銅反應(yīng)的氣體產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)

2.1?儀器、藥品和材料

W形管、酒精燈、金屬網(wǎng)罩、木炭粉（AR）、氧化銅（AR）、澄清石灰水

2.2?實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)如圖2（a）所示的實(shí)驗(yàn)裝置，檢驗(yàn)?zāi)咎颗c氧化銅反應(yīng)后的氣體產(chǎn)物二氧化碳。圖2（b）和圖2（c）是一組對照實(shí)驗(yàn)，用于檢驗(yàn)反應(yīng)后可能產(chǎn)生的一氧化碳。

2.3?實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

2.3.1?檢驗(yàn)氣體產(chǎn)物二氧化碳

（1）?將氧化銅與木炭粉以質(zhì)量比為13.3∶1進(jìn)行混合，研磨3分鐘。稱取0.4g研磨均勻后的混合粉末裝入W形管中凹槽A處，并用膠頭滴管封住該端管口。用膠頭滴管向B處放入1mL澄清石灰水[如圖2（a）所示]。

（2）?用金屬網(wǎng)罩罩住酒精燈，點(diǎn)燃酒精燈并對A處進(jìn)行加熱，觀察現(xiàn)象。

（3）?分別用氧化銅與木炭粉質(zhì)量之比為10∶1、?6.7∶1研磨均勻的混合固體重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

2.3.2?檢驗(yàn)氣體產(chǎn)物一氧化碳

（1）?向W管凹槽B1處放入0.2g氧化銅粉末，凹槽A1處不放置藥品[見圖2（b）]。點(diǎn)燃酒精燈，并對B1處固體加熱5分鐘，進(jìn)行空白對照實(shí)驗(yàn)。

（2）?另取干燥潔凈的W形管，將氧化銅與木炭粉以質(zhì)量比為13.3∶1均勻混合，研磨3分鐘。稱取0.4g研磨后的混合粉末裝入W形管中凹槽A2處，并用膠頭滴管封住該端管口。從另一端放入0.2g氧化銅粉末于凹槽B2處[如圖2（c）所示]。

（3）?兩個(gè)酒精燈均罩上金屬網(wǎng)罩，點(diǎn)燃酒精燈并用外焰同時(shí)對A2、?B2兩處加熱5分鐘。

（4）?實(shí)驗(yàn)結(jié)束，移開W形管，觀察A2、?B2處固體顏色。

（5）?分別用氧化銅與木炭質(zhì)量比為10∶1、?6.7∶1研磨均勻的混合固體重復(fù)步驟（2）～（4）。

文獻(xiàn)資料顯示，木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)成功的藥品常見比例范圍為木炭與氧化銅的質(zhì)量比在1∶6～1∶13.3之間[1]，本實(shí)驗(yàn)使用的藥品質(zhì)量比在此比例范圍內(nèi)。

2.3.3?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)木炭粉和氧化銅在不同配比下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基本一致。

圖2（a）裝置中A處黑色的反應(yīng)物變成紅色顆粒，B處石灰水變渾濁，證明反應(yīng)有二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生。圖2（b）裝置中，B1處固體沒有變化。而圖2（c）裝置中A2處固體明顯變紅，B2處有少量暗紅色固體產(chǎn)生，對比說明A2處反應(yīng)有一氧化碳生成。但B2處固體變紅程度與A2處相比不明顯，說服力不強(qiáng)，為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精準(zhǔn)，筆者設(shè)計(jì)了如下的數(shù)字化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

3?數(shù)字傳感器探究木炭與氧化銅反應(yīng)的氣體產(chǎn)物實(shí)驗(yàn)

3.1?儀器、藥品和材料

威尼爾無線氧氣濃度傳感器、朗威無線二氧化碳傳感器、朗威無線一氧化碳傳感器、電腦和配套軟件;氦氣、木炭粉（AR）、氧化銅（AR）;硬質(zhì)短試管、酒精噴燈、火柴、乳膠管、氣球、橡膠塞、平底三頸燒瓶、帶鐵夾的鐵架臺(tái)

3.2?實(shí)驗(yàn)裝置簡介

如圖3所示，用定制的硬質(zhì)短試管進(jìn)行反應(yīng)，用平底三頸燒瓶收集試管中反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。三頸燒瓶一端口徑連接雙孔橡膠塞（配細(xì)而短的導(dǎo)氣管），并用氣球防止尾氣逸出。另外兩個(gè)口徑為定制尺寸，分別與無線一氧化碳傳感器和無線二氧化碳傳感器配接。該裝置保留了教材實(shí)驗(yàn)的發(fā)生裝置，短試管和細(xì)玻璃管可以保證產(chǎn)生的氣體被快速導(dǎo)入三頸燒瓶，確保在密閉狀態(tài)下同步采集產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w的濃度數(shù)據(jù)。

為避免裝置內(nèi)空氣中的二氧化碳、氧氣與木炭反應(yīng)，對本實(shí)驗(yàn)氣體產(chǎn)物的檢驗(yàn)造成干擾，在實(shí)驗(yàn)前用氦氣對裝置進(jìn)行排空氣處理。先用氦氣槍向三頸燒瓶和短試管中通入氦氣，用氧氣濃度傳感器和二氧化碳傳感器檢測裝置內(nèi)空氣是否除盡[如圖4（a）、圖4（b）所示]。

通氦氣前，裝置內(nèi)空氣中含有二氧化碳，其含量約為600ppm，

隨著氦氣的不斷通入，二氧化碳?xì)怏w含量降至0ppm，說明裝置內(nèi)空氣已被排盡。

3.3?實(shí)驗(yàn)步驟

（1）?組裝儀器：?如圖4（a）所示，連接儀器，固定裝置并檢查裝置氣密性。

（2）?配藥品：?將氧化銅與木炭粉以質(zhì)量比13.3∶1均勻混合，研磨3分鐘。稱取0.3g研磨后的混合粉末裝入硬質(zhì)短試管。

（3）?開始實(shí)驗(yàn)：?打開電腦軟件，新建X軸為時(shí)間，新建兩個(gè)Y軸分別為二氧化碳濃度和一氧化碳濃度。

（4）?分別向a、?b兩部分裝置內(nèi)充入氦氣，當(dāng)傳感器檢測到氧氣和二氧化碳含量基本降為0時(shí)，停止通氣，密封裝置。

（5）?點(diǎn)擊采集數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)。點(diǎn)燃酒精噴燈，先對試管進(jìn)行預(yù)熱，再集中加熱，實(shí)驗(yàn)持續(xù)到數(shù)據(jù)較為平緩時(shí)停止采集，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，后期用origin8.0軟件完成作圖。

（6）?清洗試管并干燥，分別將氧化銅與木炭粉以質(zhì)量之比分別為10∶1、?6.7∶1均勻混合，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。

3.4?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)處理

初中階段學(xué)生學(xué)習(xí)的物質(zhì)之間的量比關(guān)系以物質(zhì)的量之比最為常見，因此，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)將反應(yīng)物的質(zhì)量之比轉(zhuǎn)換為物質(zhì)的量之比。三組實(shí)驗(yàn)均可看到試管中固體受熱有紅熱現(xiàn)象，反應(yīng)后生成紅色顆粒狀固體（如表1所示）。

本實(shí)驗(yàn)分別按照氧化銅與木炭物質(zhì)的量之比為2∶1、?1.5∶1、?1∶1混合后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)用無線一氧化碳傳感器和無線二氧化碳傳感器采集數(shù)據(jù)。為比較反應(yīng)物的量比與產(chǎn)生的兩種氣體的量之間的關(guān)系，筆者將生成二氧化碳的曲線與生成一氧化碳的曲線放在同一坐標(biāo)系下表征，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大值和最小值，將二氧化碳濃度對應(yīng)的縱坐標(biāo)范圍設(shè)為0～40000ppm，一氧化碳濃度對應(yīng)的縱坐標(biāo)范圍設(shè)為0～2000ppm。橫坐標(biāo)根據(jù)曲線平穩(wěn)所需時(shí)間，設(shè)為0～325s（見圖7至圖9），并將3組CO含量曲線圖匯總到同一坐標(biāo)下進(jìn)行比較（如圖10所示）。

本實(shí)驗(yàn)除記錄兩條曲線基本平穩(wěn)時(shí)的各氣體的實(shí)際濃度數(shù)值外，同時(shí)計(jì)算曲線趨于平穩(wěn)時(shí)的二氧化碳的濃度與一氧化碳的濃度的比值，多次實(shí)驗(yàn)取平均值（如表2所示）。從曲線變化趨勢、數(shù)值大小、濃度比值三個(gè)方面分析，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4?結(jié)果分析

氣體傳感器檢測結(jié)果與W形管實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，證明木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物既有一氧化碳又有二氧化碳。對比三組數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的曲線和數(shù)據(jù)分析得出：?（1）木炭和氧化銅反應(yīng)的主要?dú)怏w產(chǎn)物是二氧化碳?xì)怏w。（2）隨著混合物中氧化銅的配比逐漸增大，產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w的占比持續(xù)增多，產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w含量逐漸減少，但各比例反應(yīng)始終有一氧化碳產(chǎn)生。當(dāng)反應(yīng)物n（CuO）∶n（C）=2∶1時(shí)，產(chǎn)生的一氧化碳濃度幾乎可以忽略不計(jì)。因此可以得出木炭與氧化銅在高溫下主要發(fā)生的反應(yīng)為：?C+2CuO高溫2Cu+CO2↑。（3）由圖8、圖9可知，當(dāng)木炭過量時(shí)，二氧化碳的量到達(dá)一定峰值后，都出現(xiàn)了下降趨勢，說明可能是過量的木炭與生成的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成了一氧化碳。

5?課堂應(yīng)用

課堂教學(xué)中，基于學(xué)生提出的“木炭還原氧化銅可能有一氧化碳生成”的問題，教師引導(dǎo)學(xué)生用W形管設(shè)

計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓木炭還原氧化銅生成的氣體繼續(xù)還原氧化銅粉末，觀察到第二處氧化銅粉末也略微變紅證明反應(yīng)確有一氧化碳生成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考如何避免生成一氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)發(fā)生。學(xué)生分析后提出設(shè)想：?可以通過增加氧化銅粉末的量來避免一氧化碳生成。學(xué)生配平生成一氧化碳、二氧化碳的兩個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式，從理論上得出實(shí)驗(yàn)中氧化銅與木炭之比大于等于2∶1時(shí)生成的氣體產(chǎn)物為二氧化碳。為驗(yàn)證假設(shè)，師生結(jié)合氣體傳感器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，收集、分析數(shù)據(jù)，獲得結(jié)論。本課中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的結(jié)合突破了學(xué)生的思維瓶頸，滿足了不同層次學(xué)生的認(rèn)知需求，不僅有助于學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)是復(fù)雜的，同時(shí)又是可控的;當(dāng)反應(yīng)物相同而反應(yīng)物的量不同時(shí)，產(chǎn)物也可能不同。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是提高學(xué)生動(dòng)手能力與思維能力的關(guān)鍵途徑，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在這其中有著不可替代的作用和優(yōu)勢。學(xué)生從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中能夠初步獲得實(shí)驗(yàn)的基本技能，在不斷積累中，逐步提升實(shí)驗(yàn)分析能力及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。但對某些教學(xué)中的難點(diǎn)問題，傳統(tǒng)的方法有時(shí)很難突破[2]，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)利用儀器代替人體感官，客觀精準(zhǔn)地記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以避免因感覺的差異引起實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感知的偏差，突破人體感知的局限性，使化學(xué)反應(yīng)的過程實(shí)證化、動(dòng)態(tài)化與定量化[3，4]，但對于學(xué)生的數(shù)據(jù)分析處理能力也存在較高的要求。因此在教學(xué)中，教師要基于學(xué)情，合理選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、傳感器功能以及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高教學(xué)效果。

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