碳還原氧化銅反應(yīng)裝置改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)探究

潘宏宜　陳雪萍

摘要：針對教材中“木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)的不足，根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率的外在因素，采取交互式控制單一變量的科學(xué)探究法，從炭粉的選擇、反應(yīng)物的質(zhì)量比、加熱方式、反應(yīng)容器規(guī)格等方面，開展實(shí)驗(yàn)改進(jìn)探索，獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)將探索的創(chuàng)新成果應(yīng)用于課堂，以此提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：木炭與氧化銅反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)；紫紅色銅塊；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號：1005-6629（2018）1-0071-05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問題的提出

在人教版九年級《化學(xué)》上冊第六單元課題1“金剛石、石墨和C₆₀”中，為了探究碳單質(zhì)在高溫下能與某些氧化物反應(yīng)，以此構(gòu)建氧化還原反應(yīng)的相關(guān)狹義概念，為后續(xù)鐵的冶煉、高中氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，教材第110頁設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）。由于該反應(yīng)是固相反應(yīng)，對溫度等反應(yīng)條件要求比較高，按該裝置做實(shí)驗(yàn)，其效果并不好，主要體現(xiàn)在石灰水變渾濁與黑色固體變成暗紅色的進(jìn)程不對稱，且經(jīng)成分分析，暗紅色固體更多的是氧化亞銅，并非是銅單質(zhì)。在教學(xué)實(shí)踐中，不少同仁也對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索改進(jìn)，但實(shí)際教學(xué)中，教師普遍反映效果不佳，究其原因主要有：（1）對反應(yīng)物加工要求高。如需要粉粹機(jī)粉碎藥品、烘干機(jī)烘干等；（2）實(shí)驗(yàn)儀器要求高。如需要酒精噴燈、石英試管、擋風(fēng)板等；（3）藥品要求嚴(yán)格。如藥品氧化銅需指定用上海勤工化工廠生產(chǎn)的分析純等；（4）實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長等。能否利用普通學(xué)校都能達(dá)到的簡單條件如普通的藥品、常規(guī)的試管、常見的酒精燈、簡便的操作就能達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果？為此，開展了以下探索工作。

2原理的分析

由此計(jì)算得出：

理論分析表明該反應(yīng)程度很大，但實(shí)際操作中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想，這不是熱力學(xué)的緣故，而是動(dòng)力學(xué)上的障礙，即存在反應(yīng)速率緩慢的問題，若改變影響該反應(yīng)速率的外在因素，如溫度、反應(yīng)物顆粒大小、反應(yīng)物之間的接觸面積等，促成該反應(yīng)一旦產(chǎn)生，反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的熱可以為后續(xù)反應(yīng)提供一定的能量基礎(chǔ)，那么反應(yīng)就會(huì)快速進(jìn)行，從而有效地熔化銅粒（銅的熔點(diǎn)為1083%），產(chǎn)生銅塊，真正實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)。

3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1不同的加熱方式

教材第110頁的實(shí)驗(yàn)說明中指出：把剛烘干的木炭粉末和氧化銅粉末混合均勻，小心地鋪放進(jìn)試管里。采取傳統(tǒng)的試管口略向下傾斜藥品平鋪的加熱方式，沒有得到較好的效果，那能否將試管豎直加熱，讓酒精燈火焰完全包圍藥品，藥品之間也能更充分地接觸，這樣“聚熱”效果是不是更好呢？我們采用木炭粉與氧化銅質(zhì)量比為1：11，總混合物質(zhì)量為1.3g；試管規(guī)格均為18mm×180mm；一個(gè)為試管豎直加熱，一個(gè)為試管口略微向下傾斜加熱進(jìn)行對比探究。對比結(jié)果如表2所示。

3.2不同的炭粉

一般中學(xué)能提供的藥品比較有限，所以選擇了常見的碳單質(zhì)——木炭粉和活性炭粉的對比。木炭粉是將普通的木炭塊用錘子盡可能敲碎后，在研缽里研磨大約5分鐘成細(xì)小顆粒狀即可，待和氧化銅粉末按一定比例混合后再沿著一個(gè)方向進(jìn)行研磨6～7次；活性炭粉選擇分析純粉末；碳單質(zhì)與氧化銅的質(zhì)量比為1：10；試管規(guī)格均為18mm×180mm；均采取試管豎直加熱方式。對比結(jié)果如表3所示。

3.3反應(yīng)物的不同質(zhì)量比

根據(jù)計(jì)算，木炭粉和氧化銅的理論質(zhì)量比在1：13左右，因?yàn)榭紤]有部分木炭粉會(huì)和試管內(nèi)的空氣反應(yīng)，需要過量，所以選擇對比探究木炭粉與氧化銅的質(zhì)量比分別在1：9～1：13之間，粉末混合物總質(zhì)量控制在1～2.5g之間；試管規(guī)格仍均為18mm×180mm；均采取試管豎直加熱方式。對比結(jié)果如表4所示。

3.4不同規(guī)格的反應(yīng)容器

試管規(guī)格的不同，其試管壁的厚度有所不同，且固體接觸的緊實(shí)度也會(huì)有所不同，于是分別采用常見的15mm×150mm、18mm×180mm、20mm×200mm不同規(guī)格的普通硬質(zhì)試管做對比；木炭粉與氧化銅的質(zhì)量比均為1：12，粉末混合物總質(zhì)量為1.3g；均采取試管豎直加熱方式。對比結(jié)果如表5所示。

3.5數(shù)據(jù)的分析處理

從上述控制不同變量得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析可得：（1）活性炭與氧化銅反應(yīng)效果差，現(xiàn)象不明顯且僅有少量磚紅色粉末產(chǎn)生；而木炭粉與氧化銅反應(yīng)效果好，產(chǎn)生明顯的紅熱現(xiàn)象與紫紅色銅塊。（2）木炭粉與氧化銅不同質(zhì)量比對實(shí)驗(yàn)效果影響較大，木炭粉與氧化銅比例為1：10～1：12效果較好，且將混合物總量控制在1.0～2.0g之間時(shí)，反應(yīng)速率較快。（3）相比于傳統(tǒng)的試管口略向下傾斜的固體加熱方式，將試管豎直進(jìn)行加熱，酒精燈火焰能夠更好地包圍藥品，反應(yīng)物也能更充分地接觸，聚熱效果更好，反應(yīng)更加有效地進(jìn)行。（4）試管規(guī)格對于反應(yīng)的情況影響較小，15mm×150mm規(guī)格的試管管壁較薄，無法承受反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的高溫，試管底部容易破裂；使用18mm×180mm規(guī)格的試管比20mm×200mm規(guī)格的試管得到的固體產(chǎn)品更具有金屬光澤。

3.6進(jìn)一步需要說明的注意點(diǎn)

（1）分別將木炭粉和氧化銅粉末在蒸發(fā)皿里加熱烘干約1～2分鐘，烘干過程不斷用藥匙翻炒；尤其木炭粉不宜加熱過長，若出現(xiàn)發(fā)紅現(xiàn)象，應(yīng)立即停止。

（2）待藥品冷卻后，按一定的質(zhì)量比稱好，為了讓木炭粉與氧化銅更充分地接觸，將它們放入同一研缽內(nèi)，輕輕地沿著一個(gè)方向?qū)⒎勰┻M(jìn)行研磨6～7次，研磨過程中，用藥匙攪拌混合均勻。

（3）酒精燈里的酒精純度可選擇濃度為90%以上的酒精，以保證酒精燃燒有足夠的熱量。

3.7實(shí)驗(yàn)改進(jìn)結(jié)果

綜上比較，確定了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的最終方案（裝置如圖2）：

木炭粉與氧化銅比例為1：10～1：12，混合物總質(zhì)量控制在2.0g左右，使用18mm×180mm規(guī)格的試管作為反應(yīng)容器，采取試管豎直加熱的方式，用酒精燈加上網(wǎng)罩利用外焰加熱。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具備如下優(yōu)點(diǎn)：（1）反應(yīng)物加工要求低。選擇普通的木炭塊在研缽研磨成粉，然后放在蒸發(fā)皿進(jìn)行簡單的加熱烘干，氧化銅也只需要在化學(xué)藥品店容易購買的普通分析純粉末，用同樣的方法在蒸發(fā)皿進(jìn)行簡單的加熱烘干，烘干后的藥品放在試劑瓶里密封保存，可多次使用。（2）儀器要求簡單。只需普通的試管和加上普通網(wǎng)罩的酒精燈。（3）操作簡便。（4）反應(yīng)時(shí)間短、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。加熱后，不到2分鐘，黑色固體就出現(xiàn)了紅熱現(xiàn)象，澄清石灰水變渾濁，待固體冷卻后，呈現(xiàn)有金屬光澤的紫紅色銅塊。（5）實(shí)驗(yàn)安全可靠，能進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

4課堂應(yīng)用

課堂教學(xué)中，首先利用教材的裝置進(jìn)行演示，不理想的實(shí)驗(yàn)效果引發(fā)他們進(jìn)一步探究的欲望；然后引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)化學(xué)反應(yīng)條件的影響因素，進(jìn)行不同變量的討論和對比實(shí)踐探究，不僅有助于學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)條件是復(fù)雜的，同時(shí)又是可控的，通過外界條件的控制能影響到化學(xué)反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，形成“控制反應(yīng)條件”的意識(shí)，有利于學(xué)生在控制單一變量的科學(xué)探究中，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、勇于探索、不斷創(chuàng)新的科學(xué)品質(zhì)。這對于學(xué)生構(gòu)建科學(xué)知識(shí)、認(rèn)識(shí)科學(xué)方法、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度等科學(xué)素養(yǎng)的提升起到一定的促進(jìn)作用。endprint