碳粉还原氧化铜最佳实验条件探究

碳粉还原氧化铜最佳实验条件探究
付立海
【摘要】碳粉还原氧化铜实验受很多条件的影响,是中学阶段学生们很难做成功的一个重要实验.通常认为影响最大的是反应物的干湿程度、反应物的颗粒大小、反应物的总质量、反应物的质量比等几方面因素.本研究首先从热力学角度对该实验进行理论分析,然后在反应物烘干与未烘干、反应物颗粒大小、反应物总质量、反应物质量比等因素影响的实验条件下分别进行实验,探究碳粉还原氧化铜的最佳实验条件.实验结果表明,碳粉还原氧化铜的最佳实验条件是:用烘干的、研磨的碳粉和氧化铜;碳粉和氧化铜总质量是4.4g;碳粉和氧化铜质量比是1:10.
【期刊名称】《通化师范学院学报》
【年(卷),期】2016(037)008
【总页数】4页(P80-83)
【关键词】碳粉;氧化铜;最佳实验条件
【作者】付立海
【作者单位】通化师范学院化学学院,吉林通化134002
【正文语种】中文
【中图分类】G808
“碳粉还原氧化铜”实验是中学化学中的典型实验,也是高师化学教学论实验中进行实验条件控制方法训练的典型实验.该实验有两个主要目的，一是向学生直观展示说明单质碳具有还原性，在较高的温度下它可以夺取一些氧化物中的氧，使其发
生还原反应，二是体会控制实验条件对实验结果的影响.该实验成功的现象：(1)出现红热现象；(2)澄清的石灰水变浑浊；(3)有金属光泽颗粒较大的铜珠生成.查阅了近几年的中学化学实验文献,可以找到很多篇对该实验进行不同角度的研究报告.1996年，刘怀乐将试管装置改成平卧式、选择碳粉和氧化铜的质量比为1:10.6进行实验探究.实验结果表明,用酒精灯加热就能使该实验发生剧烈反应,反应过程中出现红热、火星并伴有大量气体生成[1].但经过他的探究，发现此实验很难做成功,因此仍把它列为初中化学较难的实验之一[2].2003年,李健生将还原剂碳粉换作未干燥的活性炭，用酒精喷灯作为热源来进行此实验[3].2003年，钱亚兵等分别以木炭、炭黑、活性炭、石墨粉与氧化铜混合，将U型管改为Y型管，用酒精灯作为热源进行实验.实验结果表明，碳粉与氧化铜的质量比为1:9～1:11之间时实验效果好[4].2005年，郝金声等选择碳粉与氧化铜质量比为1:4、1：7、1:10和1:13.2，并分别将这四组不同比例的反应物混合，总质量分别为1g、2g、5g，用酒精喷灯作为热源进行实验.实验结果表明，总量为5g、碳粉和氧化铜的质量比为1:13.2的混合物效果较好[5].2005年，贾玉江等将普遍使用的实验装置平卧式改为直立式，用酒精灯作为热源，选取碳粉和氧化铜的质量比为1:11进行实验，实验成功率达90%[6].2006年，杨华丽等制备碱性氧化铜与碳粉反应，用酒精灯作为热源.实验结果表明，碳粉还原新制成的碱性氧化铜，质量比为1:10的实验效果较好[7].2008年，张翼等用不同质量比、不同种类、不同纯度、不同混合程度的碳粉和氧化铜，并采用不同热源进行实验探究.实验结果表明，碳粉和氧化铜的质量比为1:11.5，碳粉选择还原性碳粉、氧化铜选择分析纯，混合物研磨时间为
15min及以上,用火焰温度较高且稳定的酒精喷灯作为热源进行的实验较好[8].2009年，杨绍武用电烙铁作为热源,不直接用碳粉还原氧化铜而是先氧化缠绕好的铜丝,再用碳粉还原氧化铜[9].2013年，宋婷等用不同规格的试管，采用自制的三芯灯作为热源进行实验[10].可以看到,实验探究所用的方法和得到的结论都不
尽相同,足以说明这个实验的复杂性和难成功性.
综上所述，该实验的改进方式主要是从以下五个方面进行：(1)用不同种类的反应物；(2)用不同质量比的反应物；(3)用不同的热源，改变实验温度；(4)改变实验装置；(5)用不同总量的混合物.本文在大量的实验基础上对影响该实验的各种因素进行了研究，重点对反应物的干燥程度、反应物的混合方式、反应物的总质量、反应物的质量比进行研究，探究出了该实验的最佳条件.
1.1 热力学分析
对碳粉还原氧化铜实验进行热力学分析:
查手册得：
根据公式
从计算可知,ΔrGmθ=-139.98KJ·mol-1<0，所以该反应为自发反应.
根据公式
可得kθ=3.3×1024
该反应的平衡常数kθ=3.3×1024，反应程度很大，即反应可以进行得很完全.
根据公式
从计算可知,ΔrHmθ=-83.11KJ·mol-1<0，所以该反应为放热反应.
根据以上计算分析可知,反应一旦开始，反应物就会有明显的“红热”现象发生,并且“红热”及至全部反应物.如果碳粉和氧化铜的总量足够多，那么反应放出的热足以将碳粉和氧化铜反应生成的细小颗粒的铜熔化成大颗粒铜(铜的熔点为1083℃).本实验最终应该能够得到具有金属光泽和金属特性的大块的铜.可是在查阅的大量文献报告中，实际实验过程中为什么看不到有金属光泽的、大块的铜出现呢?仔细分析,其原因是反应速度较慢的问题.因为碳粉还原氧化铜的反应类型属于固体和固体反应生成固体和气体的反应.因此增大反应物的接触面积(即碳粉和氧化铜要细小)，使其充分接触是一个很关键的因素.另外，从阿伦尼乌斯公式看,提高温度
可以加快反应速度，并可以预测反应温度应在600℃以上反应才能进行，而用酒精灯则达不到这个温度，所以本实验采用酒精喷灯作为热源来进行加热.
1.2 影响因素
影响该实验的主要因素是反应的温度.通过对该实验现象的观察和分析，影响该实验的因素还有:(1)反应物是否干燥；(2)反应物的颗粒大小；(3)反应物的总质量；(4)反应物的质量比.
综合以上的分析，本研究的实验思路如下：
(1)探讨反应物的干湿程度对实验的影响，确定出干湿程度.
(2)将(1)中得到的结果定为已知的实验条件继续探讨反应物的颗粒大小和混合方式.
(3)再将(1)和(2)中的结果作为实验已知条件，探讨反应物的总质量对实验的影响，探讨总质量为1.1g、2.2g、3.3g、4.4g、5.5g.
(4)最后将前三个实验探讨的结果作为第四个探讨的已知条件，探讨反应物的质量比.值得注意的是，虽然根据化学方程式计算出来的理论比例为1：13.3，但是实际实验过程中，由于试管中存在大量的空气，这种情况下就会消耗一部分碳粉，即要求碳粉过量，所以本研究选取反应物的比例为1:4～1:13.
3.1 实验原理
该实验为固体与固体之间的放热反应，反应过程中出现红热、火星等实验现象. 3.2 实验药品和仪器
(1)药品：活性碳粉(AR,国药集团化学试剂有限公司，20140603)、氧化铜粉(AR,天津科密欧化学试剂有限公司，20140110)、澄清石灰水.
(2)仪器：石英试管(20×200mm)、铁架台(带铁夹)、酒精喷灯、托盘天平、电子天平、烧杯、带胶塞的导管、石棉网、研钵.
3.3 实验装置
3.4 实验过程
(1)反应物干燥程度对实验的影响.将碳粉和氧化铜放到150℃的烘箱中烘干30min.待冷却至室温后，称取0.1g碳粉，0.7g氧化铜(选择1:7进行实验，碳粉要过量).再称取一份相同质量的未烘干的药品，分别充分混合但不研磨，装入试管中.用酒
精喷灯加热，观察实验现象，实验结果记录如表l.
通过上述实验现象可以表明，碳粉和氧化铜在烘干的条件下反应效果更好.因为未
烘干的碳粉和氧化铜中含有大量的水分，加热过程中有水蒸气生成，会影响实验效果.
(2)反应物颗粒大小及混合方式对实验的影响.称取烘干冷却后的碳粉0.1g，氧化铜0.7g(选择1:7进行实验，碳粉要过量)，进行研磨(研磨15min)混合.再称取一份相同质量的不研磨的药品，充分混合，装入试管中.用酒精喷灯加热，观察实验现象，实验结果记录如表2.
通过上述实验现象可以看出，碳粉和氧化铜在烘干、研磨的条件下反应效果更好.
因为研磨过的碳粉和氧化铜有更大的接触面积，使其充分接触反应.
(3)反应物总质量对实验的影响.分别称取烘干研磨的反应物混合物(碳粉与氧化铜配比为1：10)1.1g，2.2g，3.3g，4.4g，5.5g，用酒精喷灯加热，观察实验现象，实验结果记录如表3.
通过上述实验现象可以看出，碳粉和氧化铜在烘干、研磨、总质量为4.4g的条件下反应生成的光亮铜珠最多，效果更好.
(4)反应物的质量比对实验的影响.①分别称取烘干冷却研磨总质量为4.4g、碳粉和氧化铜质量比为1:4～1:13(碳粉要过量),分别充分混合，装入试管中.②用酒精喷灯加热，观察实验现象，实验结果记录如表4和表5.
通过上述实验现象可以看出，碳粉和氧化铜在烘干、研磨、总质量为4.4g、质量
比为1:10的条件下反应效果最好.
综上,可以得出碳粉还原氧化铜实验的最佳条件：
(1)碳粉和氧化铜在烘干混合的条件下实验效果好，使药品保持干燥以至于没有水珠生成，影响实验效果.
(2)碳粉和氧化铜在研磨混合的条件下实验效果好，增大接触面积，使两者充分反应.
(3)碳粉和氧化铜的总质量为4.4g的条件下实验效果好，以便有足够的热量放出.
(4)碳粉和氧化铜在质量比为1:10的条件下实验效果好.
(5)酒精喷灯距离试管约2cm左右实验效果好，以便可以达到实验所需的温度.
【相关文献】
[1]刘怀乐.中学化学实验与教学研究[M].重庆:西南师范大学出版社,1996:54-55.
[2]刘怀乐.中学化学教学实证与求索[M].重庆:西南师范大学出版社,2002:12-13.
[3]李建生.用未干燥的活性炭做“木炭还原氧化铜实验”[J].教学仪器和实验,2003(8):31.
[4]钱亚兵,鲍正荣.碳还原氧化铜实验研究[J].实验教学与仪器,2003(9):15-17.
[5]郝金声，余跃东,周进康.木炭还原氧化铜最佳实验条件研究[J].中学化学教学参考,2005(5):37-39.
[6]贾玉江,贾华娜.木炭还原氧化铜实验教学研究[J].中学化学教学参考,2005(1,2):64.
[7]杨华丽，王亚茹，康永胜，等.碳粉还原氧化铜实验探究[J].实验教学与仪器,2006(2):27-28.
[8]张翼,黎国兰.碳还原氧化铜实验条件优化探究[J].绵阳师范学院学报,2008(8):58-61.
[9]杨绍武.一种简单又高效的木炭还原氧化铜的方法[J].化学教育,2009(4):31-32.
[10]宋婷，卢一卉，李远蓉.木炭还原氧化铜实验条件的探究[J].实验教学与仪器,2013(9):37.。