模擬古代火法煉銅的實(shí)驗(yàn)探究和教學(xué)

方昊成

摘要： 為提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，設(shè)計(jì)以古代火法煉銅為情境，通過(guò)文獻(xiàn)資料與木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)作對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并用于實(shí)踐。在第一次實(shí)驗(yàn)后，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)原理，并作進(jìn)一步改進(jìn)，成功完成模擬古代銅的冶煉的第二次實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究和教學(xué)，助力學(xué)生自主形成“碳與碳的氧化物”的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，提升綜合問(wèn)題的解決能力，發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 模擬火法煉銅； 實(shí)驗(yàn)探究； 核心素養(yǎng)

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）02-0058-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在學(xué)習(xí)初中化學(xué)“碳和碳的氧化物”內(nèi)容的過(guò)程中，碳與一氧化碳的可燃性和還原性知識(shí)是分開(kāi)敘述相互獨(dú)立的，但在真實(shí)情境中它們又是相互交織在一起。不少教師提倡的主題式、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，都偏向于以二氧化碳的性質(zhì)為核心進(jìn)行學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，這樣便缺失了“碳三角”的重要轉(zhuǎn)化關(guān)系，對(duì)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu)不利。新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)要以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向進(jìn)行化學(xué)教學(xué)活動(dòng)，在真實(shí)情境中基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)去解決問(wèn)題。中國(guó)古代銅的冶煉情境既是一個(gè)真實(shí)情境，也與碳和碳的氧化物教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)。教學(xué)設(shè)計(jì)可以盡量從藥品到裝置靠近古代煉銅的模擬實(shí)驗(yàn)為核心，在真實(shí)情境中去解決真實(shí)問(wèn)題。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)兩次實(shí)驗(yàn)——一次嘗試和一次改進(jìn)，真正形成知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的解析能力、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思維水平和實(shí)際問(wèn)題的解決能力，落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

不同于課堂上做的“木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)，在建構(gòu)真實(shí)情境時(shí)要從古代史實(shí)和文獻(xiàn)入手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并分析其實(shí)驗(yàn)原理。

1.1 根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整

1.1.1 還原劑的選擇：用煤炭代替木炭

課本上的實(shí)驗(yàn)通常使用木炭還原氧化銅。中國(guó)在西漢時(shí)就已經(jīng)正式用煤冶煉金屬［1，2］，木炭由于大量消耗森林資源逐漸被淘汰。有詩(shī)云：“地下神奇鐘石炭，人間貨利設(shè)煤窯。開(kāi)山作穴如穿井，引火成炊不采樵”。詩(shī)中“石炭”就是煤或煤炭，寫的是有了煤炭之后，樵夫就不用砍樹(shù)燒炭了。因此古代冶煉金屬一般用煤炭而不是木炭。且從課下的實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看：煤炭>活性炭=木炭>>純碳（石墨）。這是因?yàn)槊禾吭诿荛]無(wú)氧的條件下干餾能夠產(chǎn)生許多還原性氣體，因而本實(shí)驗(yàn)選擇更加真實(shí)的煤炭粉末代替木炭粉末。

1.1.2 配料比的選擇：使用過(guò)量的炭

倪慎樞《采銅煉銅記》記載“……用炭八九千斤，不過(guò)得銅五六百斤”，計(jì)算所使用的炭與氧化銅的質(zhì)量比，發(fā)現(xiàn)炭的物質(zhì)的量大于氧化銅。一部分原因是因?yàn)檎鎸?shí)煉銅的過(guò)程中需要消耗氧氣，碳與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量。學(xué)生在第一次模擬實(shí)驗(yàn)中使用的是煤炭粉（以單質(zhì)碳計(jì)）與氧化銅物質(zhì)的量之比為1∶2（質(zhì)量比1∶13.3）的配料比，實(shí)驗(yàn)效果不理想。在增加炭粉的用量后，第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果大大改善。莊曉松和王祖浩［3］也認(rèn)為C與CuO的物質(zhì)的量之比為1∶1.59（質(zhì)量比1∶10.6）時(shí)實(shí)驗(yàn)效果最好，也大于理論上的1∶2。因此在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該讓碳過(guò)量，以產(chǎn)生充分的還原氣氛。

1.1.3 輔料的選擇：碳酸鉀的使用

陸容《菽園雜記》記載“……炭七百擔(dān)，柴一千七百段，雇工八百余。用柴炭裝疊燒兩次，共六日六夜”，洪咨夔《大冶賦》記載“炭周繞，薪環(huán)附。若望而燎，若城而炬”?？梢缘弥?，古代煉銅過(guò)程中都使用了薪柴。薪柴的作用有三：一是燃燒產(chǎn)生熱量；二是燃燒產(chǎn)生的碳酸鉀，是碳還原二氧化碳的催化劑［4］；三是碳酸鉀還是工業(yè)煉銅的助熔劑，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還需要加入一定比例的碳酸鉀。

1.1.4 裝置的選擇：石英坩堝的使用

倪慎樞《采銅煉銅記》記載“其爐長(zhǎng)方高聳，外實(shí)中空，下寬上窄，高一丈五尺，寬九尺，底深二尺有奇。前為火門，架炭入礦之路也……”。圖1為根據(jù)考古和文獻(xiàn)復(fù)原的豎爐煉銅裝置［5］，因此實(shí)驗(yàn)中用石英坩堝代替試管進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。相比于瓷質(zhì)坩堝，石英坩堝是透明的，便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理分析

綜上所述，模擬古代煉銅的主要化學(xué)反應(yīng)及原理有：

① C+2CuO高溫2Cu+CO2↑

② C+CO2碳酸鉀高溫2CO

③ CO+CuO△Cu+CO2

④ 其他諸如碳的完全燃燒、碳的不完全燃燒、一氧化碳的燃燒等。

⑤ 煤炭干餾得到焦炭、煤焦油、一氧化碳、氫氣以及還原產(chǎn)物等。

2 教學(xué)過(guò)程

2.1 情境引入，提出問(wèn)題

通過(guò)呈現(xiàn)青銅器、銅錢等圖片，引發(fā)學(xué)生對(duì)中國(guó)古代煉銅的興趣，隨后提出本課的問(wèn)題——古代煉銅的原理是什么？后面圍繞這一問(wèn)題開(kāi)展分析、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)、再實(shí)驗(yàn)、再分析、總結(jié)等一系列問(wèn)題解決的基本教學(xué)流程。

2.2 通過(guò)比較，設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)

（1） 首先呈現(xiàn)《采銅煉銅記》、《菽園雜記》、《大冶賦》、圖1的復(fù)原圖等文獻(xiàn)的部分內(nèi)容，學(xué)生將此與學(xué)習(xí)過(guò)的木炭還原氧化銅進(jìn)行對(duì)比，找出其中的異同點(diǎn)。比如，①裝置不同；②加入的原料中除了銅礦石、炭之外，還加入了薪柴，薪柴燃燒形成草木灰，即碳酸鉀；③更廣泛地使用煤炭而不是木炭；④文獻(xiàn)中的“裝疊”表示原料并不是粉末狀的，而課堂實(shí)驗(yàn)需要研磨成粉末并充分混合，兩者接觸面積不同。

（2） 根據(jù)②和③初步結(jié)論：古代火法煉銅所使用的原料是煤炭、銅礦石（以氧化銅計(jì)）、碳酸鉀。

（3） 根據(jù)①進(jìn)行問(wèn)題引導(dǎo)：什么樣的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀器能夠盡可能模擬豎爐法煉銅的裝置？此處可以給出一些常見(jiàn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器供學(xué)生對(duì)比參考，如蒸發(fā)皿、燒杯、坩堝等。從裝置復(fù)原圖的相似性出發(fā)，學(xué)生會(huì)選擇坩堝作為實(shí)驗(yàn)容器。

（4） 根據(jù)④進(jìn)行問(wèn)題引導(dǎo)：礦石是塊狀的，肯定有礦石內(nèi)部的氧化銅接觸不到炭。實(shí)驗(yàn)室的原料是粉末狀的，在模擬實(shí)驗(yàn)中如何體現(xiàn)一部分氧化銅與炭粉接觸，還有一部分氧化銅不與炭粉接觸？學(xué)生可能會(huì)想到要將一部分氧化銅與炭粉分開(kāi)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)教師參與改進(jìn)，最終呈現(xiàn)圖2的實(shí)驗(yàn)裝置。利用一個(gè)石英方舟分隔出一部分氧化銅，模擬礦石內(nèi)部的以及沒(méi)有與炭充分接觸的氧化銅。

（5） 為了使氧化銅能被充分還原，學(xué)生根據(jù)書寫的炭與氧化銅的化學(xué)方程式，計(jì)算得到炭與氧化銅的質(zhì)量比為12∶160，即1∶13.3。根據(jù)這個(gè)質(zhì)量比在坩堝中投入原料，用酒精噴燈或本生燈進(jìn)行灼燒，進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)（在實(shí)驗(yàn)前需要做好安全教育，以防燙傷）。煅燒過(guò)程中可能有少量有害氣體逸出，需要做好教室通風(fēng)，甚至可在有通風(fēng)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有少量的黃煙產(chǎn)生，大約三分鐘后停止煅燒，學(xué)生可藉透明的石英坩堝觀察到坩堝底部的固體有少量變紅，而石英方舟上的氧化銅沒(méi)有變紅。

2.3 通過(guò)改進(jìn)，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

第一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明反應(yīng)沒(méi)能充分進(jìn)行，石英坩堝底部的氧化銅只有部分被還原，使學(xué)生產(chǎn)生疑問(wèn)，并萌發(fā)繼續(xù)探究的興趣。

（1） 從文獻(xiàn)“用炭八九千斤（古代1斤是600g，取4800kg），不過(guò)得銅五六百斤（取320kg）”。數(shù)據(jù)的給予不脫離事實(shí)，又最大程度方便學(xué)生計(jì)算。利用銅元素守恒的思想，學(xué)生進(jìn)行計(jì)算所使用的炭與氧化銅的質(zhì)量比為12∶1，其物質(zhì)的量之比遠(yuǎn)大于理論值。

（2） 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生思考：多余的炭的作用是什么？學(xué)生猜想碳與二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳，一氧化碳也參與還原氧化銅。

（3） 繼續(xù)追問(wèn)，若坩堝中剩余的只有一氧化碳，所需要的原料的質(zhì)量比是多少？利用幾個(gè)化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算，學(xué)生計(jì)算得到參加反應(yīng)的炭和氧化銅的質(zhì)量比為1∶6.7，即物質(zhì)的量之比為1∶1。

（4） 學(xué)生設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)成倍提高煤炭的用量（質(zhì)量比1∶6.7），其他條件均不變。通過(guò)第二次分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生仔細(xì)觀察坩堝中的變化，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的黃煙，大約三分鐘后停止煅燒，學(xué)生觀察到，不僅坩堝底部的固體幾乎全部變紅，而且石英方舟上的氧化銅也全部變紅。與第一次實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象形成了鮮明的對(duì)照。

2.4 推理和總結(jié)實(shí)驗(yàn)原理，建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)

（1） 結(jié)合兩次實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，說(shuō)明有氣體參與了銅的冶煉，過(guò)量的碳在容器中發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生以一氧化碳為主的還原性氣體，一定濃度的還原氣氛還原了沒(méi)有與炭接觸的氧化銅［6］。一氧化碳是由過(guò)量的碳與二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生，或由碳的不完全燃燒生成。

（2） 進(jìn)一步分析為何實(shí)際煉銅過(guò)程需要這么多的炭，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要高溫煅燒以及復(fù)原裝置中需要鼓風(fēng)的事實(shí)，學(xué)生分析得知過(guò)程中還發(fā)生了碳與氧氣的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，以提供反應(yīng)進(jìn)行所需的能量。

（3） 由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的大量黃煙，引出煤干餾的新知識(shí)，可進(jìn)行后續(xù)“化學(xué)燃料”的教學(xué)。

（4） 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的分析，梳理了“碳和碳的氧化物”的各種知識(shí)，形成了知識(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，體會(huì)到復(fù)雜工藝流程中化學(xué)的深度參與，有效提升了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。還能通過(guò)知識(shí)的遷移和延伸進(jìn)一步講解高爐煉鐵、化石燃料等有關(guān)內(nèi)容。

3 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

3.1 與傳統(tǒng)的木炭還原氧化銅相比，具有更高的成功率

眾所周知，木炭還原氧化銅是一個(gè)初中階段較難做成功的演示實(shí)驗(yàn)，完成后除石灰水變渾濁現(xiàn)象比較明顯外，黑色固體變紅現(xiàn)象受到很多因素的影響［7～9］。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)只要求煤炭粉過(guò)量即可，沒(méi)有嚴(yán)格的配比、混合方式等要求。實(shí)驗(yàn)操作比較簡(jiǎn)單，也便于學(xué)生觀察。第二次實(shí)驗(yàn)坩堝中可明顯地得到光亮的銅塊而不是大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中得到的紅褐色銅粉，大大提升了學(xué)生對(duì)于銅的物理性質(zhì)的有效認(rèn)知。

3.2 提供了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的新思路，具有一定的可遷移性

如果將此實(shí)驗(yàn)置于“碳的化學(xué)性質(zhì)”的新授課中，可以作以下改變，使課堂更簡(jiǎn)便高效：（1）改用木炭，看不到黃煙，也能觀察到固體紅熱，黑色固體變紅；（2）去掉方舟中氧化銅的對(duì)比試驗(yàn)，不處理其中的還原氣氛，只完成炭還原氧化銅的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)；（3）從課本上的實(shí)驗(yàn)裝置改變?yōu)檎鎸?shí)的仿古煉銅裝置，保留學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的可能性，也能通過(guò)實(shí)驗(yàn)達(dá)到發(fā)展科學(xué)思維的目的。

3.3 包含多個(gè)化學(xué)反應(yīng)，具有更強(qiáng)的綜合性

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以看到炭還原氧化銅、一氧化碳還原氧化銅以及煤的干餾等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)蘊(yùn)含對(duì)比思想，提升科學(xué)思維，讓學(xué)生能夠在真實(shí)情境中綜合運(yùn)用知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)后總結(jié)所出現(xiàn)的化學(xué)方程式，可以發(fā)現(xiàn)除二氧化碳的制取、一氧化碳的燃燒外，第四單元的化學(xué)反應(yīng)均有涉及，形成了知識(shí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化。

3.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一個(gè)思考

在探索各種影響因素的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用高純度碳粉（石墨）是沒(méi)有任何反應(yīng)現(xiàn)象的。既不能還原氧化銅，也不能形成還原氣氛。這樣的現(xiàn)象與石墨的穩(wěn)定性不無(wú)關(guān)系。不少教材對(duì)此處理模棱兩可，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)也非常困惑：為何石墨坩堝不會(huì)與空氣發(fā)生反應(yīng)？很純的物質(zhì)反而缺少反應(yīng)活性，比如含有雜質(zhì)的鋅與硫酸反應(yīng)的速度會(huì)加快，或者通過(guò)摻雜可改變某物質(zhì)的化學(xué)性能等，這是化學(xué)材料研發(fā)的重要思想，說(shuō)明在核心素養(yǎng)的培養(yǎng)過(guò)程中略微施加一些影響，可使化學(xué)內(nèi)涵更加豐富。

4 教學(xué)反思

從銅的冶煉這一主題出發(fā)，可以統(tǒng)整其他知識(shí)，形成單元學(xué)習(xí)，以求充分落實(shí)核心素養(yǎng)。第一課時(shí)復(fù)習(xí)“碳和碳的氧化物”有關(guān)知識(shí)。第二課時(shí)探究碳酸鉀在實(shí)驗(yàn)中的催化作用。第三課時(shí)對(duì)比火法煉銅和濕法煉銅，復(fù)習(xí)金屬的性質(zhì)，通過(guò)比較法探討兩種煉銅方法的差異。先梳理金屬的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，特別是對(duì)濕法煉銅所得溶液的進(jìn)一步處理，形成完整的流程知識(shí)；然后，可以通過(guò)跨地理學(xué)科，展示中國(guó)銅礦分布、煤礦分布（生產(chǎn)煤炭）、含礬物質(zhì)分布（生產(chǎn)硫酸）的簡(jiǎn)圖，利用綜合知識(shí)解決哪些地方適合用火法煉銅、哪些地方適合用濕法煉銅。第四課時(shí)可以繼續(xù)由火法煉銅的情境出發(fā)，發(fā)現(xiàn)火法煉銅殘留的氣體中可能含有一氧化碳、氫氣和二氧化碳；同時(shí)在礦石中通常含有結(jié)晶水或由于堿式碳酸銅分解，還會(huì)有水蒸氣等氣體，可在這個(gè)真實(shí)情境中探究如何運(yùn)用各種氣體性質(zhì)進(jìn)行氣體的檢驗(yàn)。

古語(yǔ)有云：“天地為爐，造化為工；陰陽(yáng)為炭，萬(wàn)物為銅?！币簿褪钦f(shuō)，通過(guò)提供一個(gè)真實(shí)的情境，也就是“爐”；精心設(shè)計(jì)的學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)，也就是“工”；思維活動(dòng)就像是“炭”；將它們互相融合，最終得到有價(jià)值的“銅”。

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