木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思考與創(chuàng)意設(shè)計(jì)

甘肅省蘭州市教育科學(xué)研究所(730046) 吳正帥

甘肅省蘭州市第三十二中學(xué)(730020) 滕立玲

1 問題的提出

木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)是自新中國成立以來初中化學(xué)課堂教學(xué)演示傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。人教版(2012年)義務(wù)教育教科書9年級(jí)《化學(xué)》上冊(cè)第6單元課題1“金剛石、石墨和C60”課程內(nèi)容安排了單質(zhì)碳的化學(xué)性質(zhì)，教材內(nèi)容涉及到木炭與氧化銅反應(yīng)，生成銅和二氧化碳。通過木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)，說明木炭具有還原性。盡管有不少經(jīng)驗(yàn)性的文章在刊物上相繼發(fā)表，但是木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)物呈現(xiàn)紅熱狀態(tài)的問題至今還沒有完全解決好。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，初中化學(xué)教師無一例外的都有過這個(gè)實(shí)驗(yàn)多次失敗的經(jīng)歷。經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)的成功者有，其中不乏有寫文章在刊物上發(fā)表的，但是如果說有“十拿十穩(wěn)”的把握演示好這個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)者，實(shí)際上是鳳毛麟角。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)實(shí)是，現(xiàn)在的初中化學(xué)教師，大多對(duì)此實(shí)驗(yàn)心知肚明，實(shí)驗(yàn)沒有絕對(duì)成功的把握，實(shí)驗(yàn)成功與否似乎更多的是靠運(yùn)氣。為了避免明知不可為而為之的教學(xué)窘相，在實(shí)際教學(xué)中木炭還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)基本上是用黑板上做實(shí)驗(yàn)代替了教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵和難點(diǎn)的討論

2.1 關(guān)于木炭和氧化銅的質(zhì)量比

化學(xué)教材沒有具體敘述木炭與氧化銅各自的質(zhì)量或它們的質(zhì)量比。但是木炭還原氧化銅的質(zhì)量比，筆者通過查閱文獻(xiàn)以及反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為以木炭和氧化銅的質(zhì)量比約為1∶11較為可靠，實(shí)驗(yàn)成功率較高。

2.2 對(duì)反應(yīng)物的要求

教材這樣敘述，先把木炭粉末和氧化銅粉末分別烘干、稱量、研細(xì)、混勻，但是實(shí)際上實(shí)驗(yàn)是在高溫強(qiáng)熱條件下進(jìn)行的，待反應(yīng)實(shí)際發(fā)生時(shí)，水分早已逃逸殆盡。因此，反應(yīng)物烘干與否并不直接影響反應(yīng)的發(fā)生和實(shí)驗(yàn)效果。筆者通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為木炭采用活性炭代替、氧化銅采用分析純氧化銅，實(shí)驗(yàn)效果較好。

2.3 反應(yīng)體系的溫度

筆者通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不管采用哪種數(shù)值質(zhì)量比的混合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果用酒精噴燈加熱，每次都會(huì)成功——混合物會(huì)發(fā)紅，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，還原產(chǎn)生紅色的單質(zhì)銅；如果用不加防風(fēng)網(wǎng)罩的酒精燈加熱，又100%不被啟動(dòng)——僅有石灰水變渾濁，觀察不到紅色的單質(zhì)銅；如果在酒精燈上加防風(fēng)網(wǎng)罩，偶爾可以獲得像用酒精噴燈加熱那樣理想的效果。于是我們可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是要給反應(yīng)混合物提供足夠高的溫度。這是因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)所需的活化能很高。不加防風(fēng)網(wǎng)罩的酒精燈,溫度提高有限，很難激活反應(yīng)的發(fā)生，加了防風(fēng)網(wǎng)罩的酒精燈，提高了反應(yīng)溫度，才有可能激活反應(yīng)的發(fā)生?？梢?，提供高于普通酒精燈的高溫條件，是木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)成功(出現(xiàn)混合物發(fā)紅)的關(guān)鍵。

酒精噴燈可以確保實(shí)驗(yàn)的成功，但是提供酒精噴燈本身無疑又是一個(gè)困難，特別是農(nóng)村學(xué)校很少有這種加熱的儀器設(shè)備。另外，課堂實(shí)驗(yàn)演示使用酒精噴燈會(huì)明顯分散學(xué)生的注意力?？梢姡咎窟€原氧化銅實(shí)驗(yàn)，可以說是目前初中化學(xué)教學(xué)中至今還沒有完全被攻克的名副其實(shí)的難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，我們?nèi)绻涯咎康倪€原性僅僅定格在木炭還原氧化銅，那是用酒精燈加熱還是用酒精噴燈加熱，仍然是一個(gè)兩難的選擇!

3 木炭還原氧化銅的創(chuàng)意設(shè)計(jì)

筆者絲毫沒有貶低和否定木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)價(jià)值，本創(chuàng)意設(shè)計(jì)旨在既降低原有實(shí)驗(yàn)的難度，又保留原有實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。

3.1 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

CuSO4·5H2O、木炭、澄清石灰水、酒精燈、試管、帶導(dǎo)管的橡皮塞、鐵架臺(tái)、木塊。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

把適量的CuSO4·5H2O晶體跟木炭混合，用酒精燈加熱，2 min左右就可以得到紅褐色近乎純銅一樣的產(chǎn)物。

3.3 反應(yīng)原理

3.4 反應(yīng)混合物的質(zhì)量比以及尾氣的處理

鑒于木炭含有水分和雜質(zhì)，實(shí)際稱量以木炭過量為好，筆者通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，提出以下建議：

(1)如果是五水硫酸銅，以CuSO4·5H2O∶C=15∶1為好。

(2)如果是無水硫酸銅，以CuSO4∶C=10∶1為好。

鑒于生成的氣體中有二氧化硫和二氧化碳，為了豐富教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)的趣味性，建議將反應(yīng)生成的產(chǎn)物(氣體)先導(dǎo)入品紅溶液(品紅褪色)；待反應(yīng)后期再將殘余的尾氣通入澄清的石灰水,可以非常順利地觀察到澄清的石灰水變?yōu)榘咨珳啙帷?/p>

3.5 幾點(diǎn)說明

(2)本創(chuàng)意設(shè)計(jì)也是有缺點(diǎn)的，反應(yīng)物不出現(xiàn)紅熱，也不及木炭還原氧化銅那么簡(jiǎn)單、直接，但是實(shí)驗(yàn)降低了難度，生成紅色銅的現(xiàn)象極為明顯，同時(shí)也達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的，證明木炭具有還原性。這遠(yuǎn)比傳統(tǒng)木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的效果要好。