演示實(shí)驗(yàn)“木炭還原氧化銅”的研究與改進(jìn)

蔡貞 陳莉

摘要：木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)是九年級化學(xué)中重要的演示實(shí)驗(yàn)。在一線教學(xué)中，該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象常無法直觀說明有銅生成，進(jìn)而影響產(chǎn)物的判斷以及對碳的還原性的認(rèn)識。在研讀相關(guān)文獻(xiàn)并進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)熱源、藥品及實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)觀察到明顯現(xiàn)象，成功率高，且安全環(huán)保，適合課堂演示，易于推廣。

關(guān)鍵詞：演示實(shí)驗(yàn);木炭還原氧化銅;研究;改進(jìn);課堂教學(xué)

文章編號：1008-0546（2021）03-0084-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.020

一、實(shí)驗(yàn)研究的緣起

“木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)是人教版九年級化學(xué)第六單元課題1“金剛石、石墨和C60”中的實(shí)驗(yàn)6-2，為教師演示實(shí)驗(yàn)。在一線教學(xué)中，常按如下流程組織教學(xué)：演示實(shí)驗(yàn)→觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象→推測實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物→書寫化學(xué)方程式→分析反應(yīng)中的得氧失氧情況→得出碳具有還原性。由于此實(shí)驗(yàn)不太容易成功，有時(shí)加熱很長時(shí)間也只是產(chǎn)生少量紅色粉末。在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生常有質(zhì)疑：“生成的紅色粉末真的是銅嗎？”似乎與想象中的金屬銅存在差異。其實(shí)，木炭在還原氧化銅的過程中還很可能生成紅色的氧化亞銅粉末。以學(xué)生目前的認(rèn)知水平，只有直觀看到具有金屬光澤的銅，才能使其確信。于是，筆者對這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，以期在課堂演示時(shí)能在較短時(shí)間內(nèi)做出有金屬光澤的銅，為木炭還原氧化銅生成單質(zhì)銅提供更為直觀的證據(jù)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度以及證據(jù)推理的學(xué)科意識，從而提高課堂教學(xué)的質(zhì)量及效率。

二、實(shí)驗(yàn)研究的過程

1.文獻(xiàn)研究

木炭還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)由于難成功，是很多教師及教研工作者研究的實(shí)驗(yàn)。筆者在中國知網(wǎng)CNKI中小學(xué)數(shù)字圖書館以“木炭還原氧化銅”為主題進(jìn)行檢索，共檢出111篇相關(guān)文獻(xiàn)，再結(jié)合文獻(xiàn)來源進(jìn)行篩選，對其中的近70篇文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)對于該實(shí)驗(yàn)的理論研究不多，主要為實(shí)證研究，即通過多次實(shí)驗(yàn)對反應(yīng)物的種類、配比以及受熱方式等進(jìn)行比較研究，從而使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更快更明顯地呈現(xiàn)。

基于已查閱的文獻(xiàn)資料，對該實(shí)驗(yàn)反應(yīng)物選擇的研究如下：反應(yīng)物“炭”大都選擇木炭或活性炭，也有選擇自制“炭”的，如用火柴桿自制的木炭粉[1]、石蠟不充分燃燒制成的炭黑[2]、蔗糖脫水炭化制出的炭[3]等，還有些選擇了復(fù)印機(jī)的碳粉[4]、鉛筆芯以及碳素墨水[5]進(jìn)行實(shí)驗(yàn);反應(yīng)物氧化銅粉末大都選擇了市售的化學(xué)純或分析純氧化銅粉末，部分老師選擇表面有新生成氧化銅的銅絲或銅片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也有老師通過氫氧化銅或堿式碳酸銅分解制備氧化銅，甚至有老師用硫酸銅晶體與木炭粉混合后通過系列反應(yīng)將生成的氧化銅吸附在木炭粉上[6]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。除此以外，有研究發(fā)現(xiàn)鐵粉可作此反應(yīng)的催化劑[7]，加入氯化鈣等金屬氯化物可降低反應(yīng)的溫度要求，用酒精燈加熱就可以反應(yīng)，且成功率高[8]。而“炭”與氧化銅粉末混合的質(zhì)量比也是這個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)，多數(shù)老師的實(shí)驗(yàn)研究表明1：10或1：11為最佳配比。這個(gè)反應(yīng)需要高溫引發(fā)，教材中指出可以用酒精噴燈代替酒精燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以改進(jìn)熱源是提供高溫的一個(gè)角度，如將酒精燈中的燈芯換成粗棉花[9]以提高酒精燈溫度，或是用雙氧水制取氧氣通到酒精燈火焰處，使酒精充分燃燒，放出更多熱量[10]，還有老師嘗試用電加熱管通電3min看到了明顯現(xiàn)象[11];另外一個(gè)提高溫度的角度就是聚熱，有老師在試管外壁包裹鋁箔或纏繞80匝銅絲[12]，利用金屬導(dǎo)熱性好，快速、均勻、大面積獲取并積聚熱量，產(chǎn)生高溫引發(fā)反應(yīng)，也有改變裝置如將試管豎直加熱，或?qū)⑿≡嚬艿撞繌澢陕孕∮?0度角[13]，使反應(yīng)物聚集受熱，更快提升溫度的改進(jìn)。

這些研究和改進(jìn)也給予筆者很多啟示及思考，對于一個(gè)課堂演示實(shí)驗(yàn)，它的主要功能是為教學(xué)服務(wù)，所以實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)需要充分考慮學(xué)生的認(rèn)知水平?！澳咎窟€原氧化銅”是新授課中的研究木炭具有還原性的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察到有金屬光澤的銅是這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要達(dá)成的首要目標(biāo)。因此，我們舍棄了用表面附著新制氧化銅的銅絲或銅片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)楹谏趸~消失不如讓學(xué)生看到有銅珠或銅塊生成更直觀、易理解。由于選擇混合粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用時(shí)相較更長，為使反應(yīng)在較短時(shí)間能觀察到明顯現(xiàn)象，研究者們進(jìn)行了很多改進(jìn)。但筆者認(rèn)為，新授課的演示實(shí)驗(yàn)在能保證現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，改進(jìn)不宜太過復(fù)雜，否則不利于學(xué)生理解。比如文獻(xiàn)中提到的催化劑鐵粉、可降低反應(yīng)溫度要求的氯化物等能幫助我們研究這個(gè)實(shí)驗(yàn)，卻不宜在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)添加。還有一些老師的研究中提到加水、酒精、石蠟、棉花、凡士林等能提高實(shí)驗(yàn)的成功率，看到更為明顯的現(xiàn)象。我們暫且不討論這些實(shí)驗(yàn)中是否有其他物質(zhì)還原氧化銅，僅這些反應(yīng)物以外物質(zhì)的加入就會(huì)干擾學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解。因此，在確保實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，所用藥品應(yīng)盡可能單一，便于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)有一個(gè)清晰的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)裝置的呈現(xiàn)也同樣需要考慮學(xué)生的已有認(rèn)知以及螺旋上升的發(fā)展規(guī)律，盡可能選用簡單、學(xué)生可理解的裝置進(jìn)行演示。

于是，我們從教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及裝置出發(fā)，進(jìn)行了以下一系列的實(shí)踐研究。

2.實(shí)踐研究

（1）制得具有金屬光澤的紅色物質(zhì)

通過研究教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合文獻(xiàn)資料，我們進(jìn)行了很多次實(shí)驗(yàn)，終于得到了紅色光亮的銅，相較紅色粉末，這一現(xiàn)象更能說明有銅生成?？偨Y(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于以下幾點(diǎn)：①將藥品充分烘干后進(jìn)行實(shí)驗(yàn);②木炭粉末和氧化銅粉末按質(zhì)量比1：10充分混合;③使用加網(wǎng)罩的酒精燈加熱效果更佳。

（2）縮短時(shí)間，提高效率

達(dá)成首要目標(biāo)后，就希望在課堂演示時(shí)能更快地出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，以提高課堂效率。于是，我們從熱源和接觸面積兩個(gè)角度，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比研究。

①熱源的對比確定

取剛烘干的質(zhì)量比為1：10并充分混合的木炭粉末和氧化銅粉末1.5g分別做了四種熱源的對比實(shí)驗(yàn)，前三種是教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中提到的，加網(wǎng)罩的三芯燈是學(xué)校實(shí)驗(yàn)室自制的，實(shí)驗(yàn)情況如表1所示。綜合比較，我們最終確定了利用加網(wǎng)罩的三芯燈作為本實(shí)驗(yàn)的加熱源，受熱面積相對更大，實(shí)驗(yàn)溫度提升更快。

除了改進(jìn)熱源，我們還想通過增大接觸面積來加快反應(yīng)。于是，我們首先嘗試了“黑面包”實(shí)驗(yàn)得到的炭（后面簡稱“黑面包”炭），具體做法為：取20g蔗糖，加入100ml，的燒杯中，倒入2-3mL的水，攪拌使蔗糖潤濕，量取15-20mL的濃硫酸慢慢倒人燒杯中，攪拌燒杯中的混合物直到蔗糖變黑后將玻璃棒垂直插入燒杯中央，形成蓬松的“黑面包”炭。充分冷卻后進(jìn)行研磨，用蒸餾水浸泡15分鐘左右，再用蒸餾水沖洗7-8次，過濾后低溫烘干備用。按質(zhì)量比1：10將“黑面包”炭粉末與氧化銅粉末充分混合，取1.5g混合物于試管中，用加網(wǎng)罩的三芯燈加熱，55s左右試管中就出現(xiàn)了明顯紅熱現(xiàn)象，石灰水變得非常渾濁。此時(shí)得到的是紅色有金屬光澤的銅珠，達(dá)到了“既好（現(xiàn)象明顯）又快（時(shí)間短）”的目標(biāo)。

之后，我們還嘗試了活性炭顆粒研磨成的粉末及市售的活性炭粉末取代木炭粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)市售活性炭粉末的實(shí)驗(yàn)效果與“黑面包”炭粉末相似，也有明顯銅珠，時(shí)間也很接近，約63s出現(xiàn)明顯紅熱。但活性炭顆粒研磨成的粉末很難做出類似明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

綜合考慮實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)效果，黑面包“炭”粉末的制作過程相對繁瑣，且需要更長時(shí)間烘干，周期長、不方便，所以最終選用效果相似的活性炭粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）產(chǎn)物研究

在研究該實(shí)驗(yàn)的過程中，我們還借助一氧化碳傳感器對實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的一氧化碳進(jìn)行了監(jiān)測（裝置及數(shù)據(jù)見圖1），發(fā)現(xiàn)一氧化碳的含量并不低，達(dá)到了幾百ppm。因此，在確保實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減少一氧化碳的產(chǎn)生。由傳感器數(shù)據(jù)可知，木炭和氧化銅反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳多于活性炭和氧化銅的反應(yīng)。因此，我們最終確定了使用活性炭粉末與氧化銅混合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（4）裝置改進(jìn)

由于傳感器監(jiān)測到的一氧化碳較多，出于實(shí)驗(yàn)的綠色安全考慮，我們對裝置進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2所示。即：保留了固體加熱產(chǎn)生氣體的原型裝置，符合學(xué)生認(rèn)知，易于學(xué)生理解。右側(cè)裝置做了密封設(shè)計(jì)，氣球在此處一舉兩得，既防止一氧化碳逸出，又緩沖了實(shí)驗(yàn)過程中的氣壓變化。防倒吸管始終浸沒在液面以下，防止生成的銅再次被氧化?！按蠖恰痹O(shè)計(jì)起到了防倒吸的作用，所以我們暫且叫它“防倒吸管”。這一部分的改進(jìn)起到了防污染、防氧化、防倒吸的三重效果。

三、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1.儀器與藥品

（1）儀器

試管（規(guī)格15mm×150mm）、單孔橡皮塞（配套試管）、玻璃導(dǎo)管、乳膠管、防倒吸管（定制）、錐形瓶（250ml）、雙孔橡皮塞（配套錐形瓶）、三芯燈（帶網(wǎng)罩）、帶鐵夾的鐵架臺(tái)、升降臺(tái)、火柴、藥匙、氣球。

（2）藥品

剛烘干的活性炭粉末、氧化銅粉末（按質(zhì)量比1：10混合，取1.5g混合物）。

2.實(shí)驗(yàn)裝置說明

3.實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)與現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)前，分別取活性炭粉末和氧化銅粉末于表面皿，放入恒溫箱100℃烘1h，然后按質(zhì)量比為1：10稱量，放入研缽研磨10min，使其充分混合后裝瓶備用。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①檢查裝置的氣密性。

②用電子天平稱取約1.5g混合物粉末，借助紙槽裝入試管，讓混合物自然堆積在試管底部，然后將試管固定在鐵架臺(tái)上，并按圖3固定整套裝置。

③用加網(wǎng)罩的三芯燈加熱，右側(cè)導(dǎo)管口有氣泡逐漸連續(xù)大量冒出，約1min左右試管中出現(xiàn)明顯紅熱熔巖狀態(tài)，錐形瓶中出現(xiàn)大量渾濁，氣球變大。

④熄滅酒精燈待冷卻，觀察到試管內(nèi)有大量紅色光亮的銅珠，現(xiàn)象十分明顯。錐形瓶中的防倒吸管內(nèi)液面上升，說明先熄滅酒精燈會(huì)產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象，為安全起見，應(yīng)采取防倒吸措施。防倒吸管始終在液面以下，有效防止生成的銅被氧化。氣球略微變小，整個(gè)過程中起緩沖氣壓、收集尾氣一氧化碳的作用。

四、實(shí)驗(yàn)反思

通過對“木炭還原氧化銅”演示實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、成功率高，且用時(shí)更短。實(shí)驗(yàn)原理及裝置與教材實(shí)驗(yàn)類似，符合學(xué)生認(rèn)知，裝置更加安全、環(huán)保，適合課堂演示、易于推廣。

最為關(guān)鍵的是，該實(shí)驗(yàn)通過讓學(xué)生觀察到有金屬光澤的銅，使木炭還原氧化銅生成單質(zhì)銅有了更為直觀的證據(jù)，強(qiáng)化了化學(xué)方程式的書寫符合客觀事實(shí)，有利于學(xué)生理解碳的還原性，同時(shí)還有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度及證據(jù)推理的學(xué)科意識，進(jìn)一步提高課堂教學(xué)的質(zhì)量和效率。

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