碳還原氧化銅產(chǎn)物的再探究

楊道華　李清

摘要：“木炭還原氧化銅”是人教版化學(xué)上冊(cè)第六單元教材中的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，按照教材中的操作反應(yīng)時(shí)間過長，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。而改用小試管和家用噴火槍之后，微小精悍，屢試屢驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)改進(jìn)小試管噴火槍

“木炭還原氧化銅”是人教版九年級(jí)化學(xué)教材上冊(cè)第111頁中的一個(gè)重要的演示實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)許多教師演示時(shí)很難做出明顯的效果。筆者在《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》2010年第1、2期發(fā)表的《碳還原氧化銅產(chǎn)物的探究》中曾經(jīng)對(duì)反應(yīng)的藥品及配比做過重點(diǎn)探究，達(dá)到較好的效果，但很多教師在此方法的嘗試中效果往往不盡如人意。因此，筆者和同事開始了進(jìn)一步的探究，重點(diǎn)在儀器和裝置的探究上。筆者查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大膽的改進(jìn)和探究，摸索出幾種效果明顯、操作簡單的實(shí)驗(yàn)方法。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，操作簡便、節(jié)約藥品、綠色環(huán)保、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

一、教材中實(shí)驗(yàn)的不足之處

教材中的實(shí)驗(yàn)存在三處不足之處。

1.對(duì)藥品自身質(zhì)量和配比要求嚴(yán)格。用普通的木炭粉或活性炭粉等做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯。即使采用分析純木炭與氧化銅按照合適的質(zhì)量配比達(dá)到明顯的實(shí)驗(yàn)效果，但存放一段時(shí)間后，有經(jīng)常達(dá)不到剛配比時(shí)的效果的情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。

2.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備煩瑣，攜帶不便。需要準(zhǔn)備鐵架臺(tái)、試管、單孔膠塞和導(dǎo)氣管、小燒杯、酒精燈、氧化銅、木炭粉和石灰水，實(shí)驗(yàn)儀器與藥品的準(zhǔn)備比較麻煩。

3.實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。用酒精燈加熱的熱效太低，持續(xù)數(shù)分鐘都很難出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。即使偶然出現(xiàn)黑色粉末變紅的現(xiàn)象，待到冷卻以后，倒出來的固體也很難是紅色的粉末，仍舊是黑色的粉末。最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，教師于是草草結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

正因?yàn)橐陨显?，教師們教學(xué)此內(nèi)容的時(shí)候，基本上放棄了演示實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)，改成了枯燥保守的理論說教，或者直接用播放視頻來代替，錯(cuò)過了師生在真正實(shí)驗(yàn)教學(xué)中共同學(xué)習(xí)的時(shí)機(jī)。

二、問題的提出

實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間過長和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的主要原因是什么呢？我們展開了猜想和分析。

1.溫度過低。相關(guān)論文研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)紅色的銅是因?yàn)樯扇廴跔顟B(tài)的銅的顆粒，但溫度過低也可能產(chǎn)生CuO，而出現(xiàn)熔融的物質(zhì)要求此實(shí)驗(yàn)的溫度應(yīng)該在600 ℃以上，酒精燈外焰加熱的溫度應(yīng)該較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于600 ℃。所以常規(guī)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，且可能產(chǎn)生CuO。

2.“封閉”體系不好。原裝置貌似封閉，實(shí)則裝置內(nèi)殘留的空氣始終無法排除，滯留在裝置中，只是暫時(shí)被產(chǎn)生的CO向下驅(qū)趕至試管口，待到溫度降下來之后，CO密度會(huì)變大，CO下沉，空氣會(huì)上浮，空氣中的氧氣會(huì)與紅熱的銅反應(yīng)生成氧化銅，紅色的粉末會(huì)再次變黑。

三、實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

（一）酒精燈加熱時(shí)候，試管中的溫度

碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)，熱力學(xué)不需要很高的溫度，但由于動(dòng)力學(xué)的緣故，固固反應(yīng)的復(fù)雜性，木炭還原氧化銅需要的溫度在600 ℃以上。

根據(jù)《實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器》中的一篇關(guān)于酒精燈火焰溫度的介紹，再綜合考慮酒精燈燈芯的粗細(xì)長短、加熱時(shí)間，所選的火焰的位置等因素，酒精燈火焰的理想溫度尚且很低（一般不到600 ℃），受熱物質(zhì)的實(shí)際溫度高于400 ℃的可能性不大。

另外，考慮試管熔化的溫度，即玻璃的軟化點(diǎn)是519 ℃，書中的實(shí)驗(yàn)說明用酒精燈加熱的方法，真正做起書上的實(shí)驗(yàn)，試管都沒有軟化，木炭還原氧化銅溫度就不可能達(dá)到600 ℃。

實(shí)際上，加熱大約1分鐘后，用紅外探測(cè)儀測(cè)得試管內(nèi)溫度是369 ℃。

四、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

（一）改進(jìn)熱源和反應(yīng)容器

1.為了解決加熱源的問題，我們采用了市場(chǎng)出售的CAMPINGMOON多功能家用噴火槍（MT2915型），其溫度可以調(diào)節(jié)到1300 ℃，電子打火，操作方便。

2.“封閉”體系問題的解決：取一根普通的導(dǎo)氣管，用家用噴火槍把導(dǎo)氣管從中間燒化，封閉細(xì)口徑玻璃管的一端，做成兩個(gè)細(xì)口徑小試管待用。

（二）實(shí)驗(yàn)器材

1.實(shí)驗(yàn)儀器：家用噴火槍一個(gè);上述自做的小試管1支;試管夾一個(gè);藥匙一個(gè)。

2.實(shí)驗(yàn)藥品：按照配比1∶13（最好木炭偏多一點(diǎn)，目的是使氧化銅完全反應(yīng)）混合木炭和氧化銅粉末。

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

1.裝藥：把混合后的藥品，用藥匙小的一端，略取少許，加入自制的小試管。

2.固定：用試管夾夾住小試管的中上部。

3.點(diǎn)火：打開電子噴槍。

4.加熱：先來回移動(dòng)，充分預(yù)熱，然后固定加熱。

5.觀察：觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)的現(xiàn)象;觀察試管冷卻后的現(xiàn)象。

五、實(shí)驗(yàn)與分析

（一）采取豎直加熱的方式，火焰集中，藥品受熱充分，溫度提升快（實(shí)測(cè)溫度超過800 ℃），加熱20秒，就能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所用時(shí)間比原實(shí)驗(yàn)方案明顯縮短，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分明顯。

（二）所用藥品的質(zhì)量和配比要求，不必那么嚴(yán)苛，而且采取微型實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了藥品。所用的木炭粉，無論什么樣的質(zhì)量，甚至紙屑燃燒的灰燼、活性炭的粉末都行;配比的要求也不必那么嚴(yán)格;微型實(shí)驗(yàn)所用的藥品較少，節(jié)約了藥品。

（三）加熱源的改進(jìn)，取材來自市場(chǎng)，取材廣泛，方便操作且易控制高溫，安全可靠。

（四）形成的體系，氣體不容易對(duì)流，相對(duì)穩(wěn)定。因?yàn)閮?nèi)徑很小，所以產(chǎn)生的CO2不易和空氣形成對(duì)流，而且很容易把空氣趕出小試管外，這樣，就形成了相對(duì)封閉的無氧環(huán)境，可以有效防止高溫下的銅粉再次被氧化成黑色的氧化銅。

（五）節(jié)約器材。該實(shí)驗(yàn)中，由于生成的銅粉是微小的熔融的顆粒狀，會(huì)鑲嵌在小試管的內(nèi)壁里，做完實(shí)驗(yàn)的試管等于報(bào)廢，而改用導(dǎo)氣管做成的小試管，因?yàn)槭怯脧U掉的導(dǎo)氣管做的，所以做到了節(jié)約器材。

（六）實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物驗(yàn)證為銅

為了防止生成物是CuO，可以向生成物中加入稀硫酸，根據(jù)CuO+HSO₄CuSO+Cu+HO，不見溶液變藍(lán)，說明實(shí)驗(yàn)是成功的。

六、總結(jié)和反思

經(jīng)過以上研究分析，總結(jié)反思如下。

（一）此法對(duì)氧化銅的質(zhì)量要求較低，對(duì)木炭粉的要求不嚴(yán)。木炭粉只要為粉末狀即可，不必為180目以上，甚至燒過的灰燼或碾碎的活性炭，都是很好的藥品。

（二）木炭與氧化銅的配比為1∶13或略大些為好。

（三）熱源為電子噴槍，溫度易調(diào)節(jié)，且操作方便。

（四）不必烘干藥品，只需要操作時(shí)先預(yù)熱好，把冷凝水烘出玻璃管或趕到玻璃管的上端（因?yàn)樗盟幤飞?，冷凝水不?huì)多，所以掛在內(nèi)壁上，不會(huì)流下來）即可。

（五）采取一段封閉的玻璃管，產(chǎn)生的CO不會(huì)與空氣形成對(duì)流，形成了沒有氧氣的封閉的環(huán)境。

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責(zé)任編輯：唐丹丹