活性炭還原氧化銅實驗條件探究

劉林青+丁偉

摘要：木炭還原氧化銅是中學化學教學的一個重要演示實驗，針對該實驗的成功率較低等不足進行了實驗探究。發(fā)現(xiàn)炭粉材質的選擇、炭粉和氧化銅的質量比、反應物的狀態(tài)都會對實驗效果產(chǎn)生影響。通過三組對照實驗，證明了該實驗最佳條件是：炭粉和氧化銅質量比為1：7～1：8；混合研磨時間為10min；烘炒最佳時機是活性炭粉呈紅暈狀；采用化學純木炭粉和氧化銅粉作反應原料。

關鍵詞：活性炭；還原；氧化銅；實驗條件優(yōu)化；化學實驗探究

文章編號：1005–6629（2015）7–0056–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

1.1 問題背景

炭粉還原氧化銅是義務教育階段九年級上冊《化學》[1]課本中的一個重要的演示實驗。該實驗的目的是向學生說明：單質的碳也像氫氣一樣，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[2]。該實驗成功的指標表現(xiàn)在四個方面：（1）實驗開始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）反應進行中反應物呈現(xiàn)紅熱熔巖狀態(tài)；（4）反應產(chǎn)物中有金屬光澤的銅粒生成?？墒窃搶嶒炑菔境晒β室恢焙艿?，很少出現(xiàn)以上實驗指標。

1.2 影響因素

查閱相關資料發(fā)現(xiàn)，炭粉還原氧化銅實驗對反應物的質量比、反應物的狀態(tài)有較高的要求，通常反應過程中還伴有磚紅色粉末氧化亞銅的生成[3～5]。本探究實驗對炭粉和氧化銅的質量比例和反應物的狀態(tài)進行了研究，對實驗產(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 實驗過程

2.1 實驗材料

藥品：木炭粉（CP）、氧化銅粉（CP）、澄清石灰水、稀硫酸

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

2.2 實驗原理和裝置

2.2.1 實驗原理

2.3 實驗步驟

（1）按圖1所示裝置圖從下到上搭好裝置。

（2）按上述實驗設計方案中質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）檢驗實驗裝置氣密性。把充分冷卻的反應混合物粉末用紙槽送至試管底端，塞緊橡皮塞，導氣管伸入盛有澄清石灰水的試管中。

（5）用酒精燈預熱試管，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物和澄清石灰水的變化情況。

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

（7）反應物充分冷卻后，把混合物倒出，觀察記錄生成物顏色狀態(tài)。

2.4 對照實驗及現(xiàn)象

2.4.1 不同質量比活性炭和氧化銅

根據(jù)炭粉還原氧化銅的方程式，計算出活性炭和氧化銅質量之比為1：13.3。按照該比例恰好完全反應生成銅和二氧化碳，如果氧化銅過量，則易生成氧化亞銅。但是在烘炒過程中炭粉有損耗，且反應中試管里的氧氣會消耗一部分活性炭粉。所以實際操作中炭粉比例應當增加。本實驗按不同的質量比來進行試驗，探究出在酒精燈加熱下的最佳的質量比。實驗按照炭粉與氧化銅質量比為1：6、1：7、1：8、1：9、1：10、1：11、1：12、1：13設計八組對照試驗。得出活性炭粉和氧化銅實驗用料的最佳質量比。實驗結果如表1。

2.4.2 活性炭和氧化銅的研磨程度

研磨可以增大反應物的比表面積，實驗設計在質量比為1：8的條件下，分別做對氧化銅和炭粉混合研磨時間的三組對照試驗。研磨時間分別為0分鐘、5分鐘、10分鐘。實驗結果如表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期放置會引起部分變質，稱量和研磨反應物時還會吸收空氣中的水分和雜質，導致反應物不純，烘炒可以除去水分等雜質，提高反應物活性。本實驗將烘干氧化銅5分鐘、烘干活性炭至呈紅暈熔巖狀為自變量，設計兩組對照試驗。實驗結果如表3。

3 實驗結果

3.1 不同質量比活性炭和氧化銅的實驗結果

在質量比為1：6～1：13的八組對照實驗中，我們發(fā)現(xiàn)當反應物中活性炭過量時，反應產(chǎn)物中有黑色固體存在，此黑色固體為活性炭粉；當反應物中氧化銅過量時，產(chǎn)物中會出現(xiàn)磚紅色粉末，此為副反應產(chǎn)生的氧化亞銅[6]。當反應物質量比為1：7～1：8時，反應產(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銅。

3.2 不同研磨程度活性炭和氧化銅的實驗結果

當選擇不同研磨程度的反應物時，反應產(chǎn)物出現(xiàn)了明顯區(qū)別。當不研磨的時候，反應產(chǎn)物是磚紅色固體和黑色粉末，說明反應產(chǎn)物中有過量炭粉和氧化亞銅。隨著研磨時間的增加，反應產(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結果

實驗發(fā)現(xiàn)，通過烘炒5分鐘的反應物可以反應產(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，而沒有烘炒的反應物在實驗中無明顯現(xiàn)象。

4 實驗結論

通過以上三組對照試驗，可以得出以下結論：活性炭還原氧化銅在酒精燈加熱的條件下反應生成銅和二氧化碳，反應過程中有氧化亞銅的生成。活性炭和氧化銅的充分研磨可以增大反應物的比表面積，使反應物充分接觸，促進反應的進行。反應前活性炭和氧化銅的烘炒可以除去反應物中的水等雜質，增強活性炭的活性，以促進反應的進行。

綜上，在活性炭粉還原氧化銅的實驗中，最佳條件是用質量比為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：

[1]課程教材研究所，化學課程教材研究中心編著.義務教育階段課程標準實驗教科書·化學（九年級）（上冊）[M].北京：人民教育出版社：2011.

[2]范麗瓊.“木炭還原氧化銅”實驗的探究[J].中學化學教學參考，2004，（4）：50.

[3]周柏洲，李廣萍.木炭還原氧化銅最佳方案探討[J].化學教學，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].化學教學，1999，2（3）：10.

[5]董耀華.碳還原氧化銅的實驗探討與改進[J].教學儀器與實驗，2000，4（11）：7.

[6]張翼，黎國蘭.碳還原氧化銅實驗條件優(yōu)化探究[J].錦陽師范學報，2008，27（8）：58～61.