劉林青+丁偉

摘要：木炭還原氧化銅是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的一個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)，針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的成功率較低等不足進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。發(fā)現(xiàn)炭粉材質(zhì)的選擇、炭粉和氧化銅的質(zhì)量比、反應(yīng)物的狀態(tài)都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生影響。通過(guò)三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，證明了該實(shí)驗(yàn)最佳條件是：炭粉和氧化銅質(zhì)量比為1：7～1：8；混合研磨時(shí)間為10min；烘炒最佳時(shí)機(jī)是活性炭粉呈紅暈狀；采用化學(xué)純木炭粉和氧化銅粉作反應(yīng)原料。

關(guān)鍵詞：活性炭；還原；氧化銅；實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化；化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）7–0056–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題提出

1.1 問(wèn)題背景

炭粉還原氧化銅是義務(wù)教育階段九年級(jí)上冊(cè)《化學(xué)》[1]課本中的一個(gè)重要的演示實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的目的是向?qū)W生說(shuō)明：?jiǎn)钨|(zhì)的碳也像氫氣一樣，具有還原性，在較高的溫度下它能奪取某些氧化物里的氧，使其發(fā)生還原反應(yīng)[2]。該實(shí)驗(yàn)成功的指標(biāo)表現(xiàn)在四個(gè)方面：（1）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始1～2分鐘出現(xiàn)明顯現(xiàn)象；（2）大量二氧化碳噴涌而出，澄清石灰水變渾濁；（3）反應(yīng)進(jìn)行中反應(yīng)物呈現(xiàn)紅熱熔巖狀態(tài)；（4）反應(yīng)產(chǎn)物中有金屬光澤的銅粒生成?？墒窃搶?shí)驗(yàn)演示成功率一直很低，很少出現(xiàn)以上實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。

1.2 影響因素

查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，炭粉還原氧化銅實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)物的質(zhì)量比、反應(yīng)物的狀態(tài)有較高的要求，通常反應(yīng)過(guò)程中還伴有磚紅色粉末氧化亞銅的生成[3～5]。本探究實(shí)驗(yàn)對(duì)炭粉和氧化銅的質(zhì)量比例和反應(yīng)物的狀態(tài)進(jìn)行了研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物作觀察、鑒定，探究出了活性炭還原氧化銅的最佳條件。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

藥品：木炭粉（CP）、氧化銅粉（CP）、澄清石灰水、稀硫酸

儀器：托盤(pán)天平、鐵架臺(tái)、鐵圈、鐵夾、試管（18mm×180mm）、橡膠塞、導(dǎo)氣管、燒杯、研缽、蒸發(fā)皿、玻璃棒

2.2 實(shí)驗(yàn)原理和裝置

2.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）按圖1所示裝置圖從下到上搭好裝置。

（2）按上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中質(zhì)量配比稱取活性木炭粉和氧化銅粉末。分別放入研缽中反復(fù)研磨5分鐘。

（3）分別將活性木炭粉和氧化銅在蒸發(fā)皿中烘炒（圖2），活性木炭粉烘炒至呈紅暈熔巖狀，停止加熱。烘炒氧化銅粉末5分鐘，停止加熱，待自然冷卻后充分混合。

（4）檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置氣密性。把充分冷卻的反應(yīng)混合物粉末用紙槽送至試管底端，塞緊橡皮塞，導(dǎo)氣管伸入盛有澄清石灰水的試管中。

（5）用酒精燈預(yù)熱試管，然后集中加熱試管底部活性炭和氧化銅粉末，觀察記錄試管中反應(yīng)物和澄清石灰水的變化情況。

（6）待試管中反應(yīng)物呈紅熱熔巖狀態(tài)或澄清石灰水中氣泡排出速率小于1個(gè)/5秒，結(jié)束反應(yīng)，先拆除導(dǎo)氣管，再停止加熱。

（7）反應(yīng)物充分冷卻后，把混合物倒出，觀察記錄生成物顏色狀態(tài)。

2.4 對(duì)照實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)象

2.4.1 不同質(zhì)量比活性炭和氧化銅

根據(jù)炭粉還原氧化銅的方程式，計(jì)算出活性炭和氧化銅質(zhì)量之比為1：13.3。按照該比例恰好完全反應(yīng)生成銅和二氧化碳，如果氧化銅過(guò)量，則易生成氧化亞銅。但是在烘炒過(guò)程中炭粉有損耗，且反應(yīng)中試管里的氧氣會(huì)消耗一部分活性炭粉。所以實(shí)際操作中炭粉比例應(yīng)當(dāng)增加。本實(shí)驗(yàn)按不同的質(zhì)量比來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，探究出在酒精燈加熱下的最佳的質(zhì)量比。實(shí)驗(yàn)按照炭粉與氧化銅質(zhì)量比為1：6、1：7、1：8、1：9、1：10、1：11、1：12、1：13設(shè)計(jì)八組對(duì)照試驗(yàn)。得出活性炭粉和氧化銅實(shí)驗(yàn)用料的最佳質(zhì)量比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

2.4.2 活性炭和氧化銅的研磨程度

研磨可以增大反應(yīng)物的比表面積，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在質(zhì)量比為1：8的條件下，分別做對(duì)氧化銅和炭粉混合研磨時(shí)間的三組對(duì)照試驗(yàn)。研磨時(shí)間分別為0分鐘、5分鐘、10分鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

2.4.3 活性炭和氧化銅的性狀

活性炭粉和氧化銅粉由于長(zhǎng)期放置會(huì)引起部分變質(zhì)，稱量和研磨反應(yīng)物時(shí)還會(huì)吸收空氣中的水分和雜質(zhì)，導(dǎo)致反應(yīng)物不純，烘炒可以除去水分等雜質(zhì)，提高反應(yīng)物活性。本實(shí)驗(yàn)將烘干氧化銅5分鐘、烘干活性炭至呈紅暈熔巖狀為自變量，設(shè)計(jì)兩組對(duì)照試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同質(zhì)量比活性炭和氧化銅的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在質(zhì)量比為1：6～1：13的八組對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)物中活性炭過(guò)量時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物中有黑色固體存在，此黑色固體為活性炭粉；當(dāng)反應(yīng)物中氧化銅過(guò)量時(shí)，產(chǎn)物中會(huì)出現(xiàn)磚紅色粉末，此為副反應(yīng)產(chǎn)生的氧化亞銅[6]。當(dāng)反應(yīng)物質(zhì)量比為1：7～1：8時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生了多量的金屬光澤的球狀固體，得到了我們需要的金屬單質(zhì)銅。

3.2 不同研磨程度活性炭和氧化銅的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)選擇不同研磨程度的反應(yīng)物時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物出現(xiàn)了明顯區(qū)別。當(dāng)不研磨的時(shí)候，反應(yīng)產(chǎn)物是磚紅色固體和黑色粉末，說(shuō)明反應(yīng)產(chǎn)物中有過(guò)量炭粉和氧化亞銅。隨著研磨時(shí)間的增加，反應(yīng)產(chǎn)物中金屬光澤紅色固體產(chǎn)率明顯增加，表明研磨后的反應(yīng)物有更好的活性，有利于產(chǎn)物銅的生成。

3.3 不同性狀活性炭和氧化銅的反應(yīng)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)烘炒5分鐘的反應(yīng)物可以反應(yīng)產(chǎn)生紅色金屬光澤的小顆粒，也就是我們需要的產(chǎn)物金屬銅，而沒(méi)有烘炒的反應(yīng)物在實(shí)驗(yàn)中無(wú)明顯現(xiàn)象。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)以上三組對(duì)照試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：活性炭還原氧化銅在酒精燈加熱的條件下反應(yīng)生成銅和二氧化碳，反應(yīng)過(guò)程中有氧化亞銅的生成?；钚蕴亢脱趸~的充分研磨可以增大反應(yīng)物的比表面積，使反應(yīng)物充分接觸，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)前活性炭和氧化銅的烘炒可以除去反應(yīng)物中的水等雜質(zhì)，增強(qiáng)活性炭的活性，以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

綜上，在活性炭粉還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)中，最佳條件是用質(zhì)量比為1：7～1：8的充分研磨的活性炭粉和氧化銅粉末；烘炒氧化銅粉末至干燥，烘炒活性炭粉至紅暈狀。

參考文獻(xiàn)：

[1]課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究中心編著.義務(wù)教育階段課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)）（上冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社：2011.

[2]范麗瓊.“木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)的探究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2004，（4）：50.

[3]周柏洲，李廣萍.木炭還原氧化銅最佳方案探討[J].化學(xué)教學(xué)，1995，3（7）：6.

[4]陳克原，金東.也談成功率高的木炭還原氧化銅[J].化學(xué)教學(xué)，1999，2（3）：10.

[5]董耀華.碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)探討與改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2000，4（11）：7.

[6]張翼，黎國(guó)蘭.碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化探究[J].錦陽(yáng)師范學(xué)報(bào)，2008，27（8）：58～61.