碳还原氧化铜反应装置改进及实验探究

潘宏宜　陈雪萍

摘要：针对教材中“木炭还原氧化铜”实验的不足，根据影响化学反应速率的外在因素，采取交互式控制单一变量的科学探究法，从炭粉的选择、反应物的质量比、加热方式、反应容器规格等方面，开展实验改进探索，获得较好的实验结果。同时将探索的创新成果应用于课堂，以此提升学生的实验思维和实验素养。

关键词：木炭与氧化铜反应；实验装置改进；紫红色铜块；实验探究

文章编号：1005-6629（2018）1-0071-05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1问题的提出

在人教版九年级《化学》上册第六单元课题1“金刚石、石墨和C₆₀”中，为了探究碳单质在高温下能与某些氧化物反应，以此构建氧化还原反应的相关狭义概念，为后续铁的冶炼、高中氧化还原反应的学习打下基础，教材第110页设计了一套实验装置（图1）。由于该反应是固相反应，对温度等反应条件要求比较高，按该装置做实验，其效果并不好，主要体现在石灰水变浑浊与黑色固体变成暗红色的进程不对称，且经成分分析，暗红色固体更多的是氧化亚铜，并非是铜单质。在教学实践中，不少同仁也对该实验进行了探索改进，但实际教学中，教师普遍反映效果不佳，究其原因主要有：（1）对反应物加工要求高。如需要粉粹机粉碎药品、烘干机烘干等；（2）实验仪器要求高。如需要酒精喷灯、石英试管、挡风板等；（3）药品要求严格。如药品氧化铜需指定用上海勤工化工厂生产的分析纯等；（4）实验时间过长等。能否利用普通学校都能达到的简单条件如普通的药品、常规的试管、常见的酒精灯、简便的操作就能达到理想的实验效果？为此，开展了以下探索工作。

2原理的分析

由此计算得出：

理论分析表明该反应程度很大，但实际操作中，实验结果并不理想，这不是热力学的缘故，而是动力学上的障碍，即存在反应速率缓慢的问题，若改变影响该反应速率的外在因素，如温度、反应物颗粒大小、反应物之间的接触面积等，促成该反应一旦产生，反应过程中产生大量的热可以为后续反应提供一定的能量基础，那么反应就会快速进行，从而有效地熔化铜粒（铜的熔点为1083%），产生铜块，真正实现该反应。

3实验改进

3.1不同的加热方式

教材第110页的实验说明中指出：把刚烘干的木炭粉末和氧化铜粉末混合均匀，小心地铺放进试管里。采取传统的试管口略向下倾斜药品平铺的加热方式，没有得到较好的效果，那能否将试管竖直加热，让酒精灯火焰完全包围药品，药品之间也能更充分地接触，这样“聚热”效果是不是更好呢？我们采用木炭粉与氧化铜质量比为1：11，总混合物质量为1.3g；试管规格均为18mm×180mm；一个为试管竖直加热，一个为试管口略微向下倾斜加热进行对比探究。对比结果如表2所示。

3.2不同的炭粉

一般中学能提供的药品比较有限，所以选择了常见的碳单质——木炭粉和活性炭粉的對比。木炭粉是将普通的木炭块用锤子尽可能敲碎后，在研钵里研磨大约5分钟成细小颗粒状即可，待和氧化铜粉末按一定比例混合后再沿着一个方向进行研磨6～7次；活性炭粉选择分析纯粉末；碳单质与氧化铜的质量比为1：10；试管规格均为18mm×180mm；均采取试管竖直加热方式。对比结果如表3所示。

3.3反应物的不同质量比

根据计算，木炭粉和氧化铜的理论质量比在1：13左右，因为考虑有部分木炭粉会和试管内的空气反应，需要过量，所以选择对比探究木炭粉与氧化铜的质量比分别在1：9～1：13之间，粉末混合物总质量控制在1～2.5g之间；试管规格仍均为18mm×180mm；均采取试管竖直加热方式。对比结果如表4所示。

3.4不同规格的反应容器

试管规格的不同，其试管壁的厚度有所不同，且固体接触的紧实度也会有所不同，于是分别采用常见的15mm×150mm、18mm×180mm、20mm×200mm不同规格的普通硬质试管做对比；木炭粉与氧化铜的质量比均为1：12，粉末混合物总质量为1.3g；均采取试管竖直加热方式。对比结果如表5所示。

3.5数据的分析处理

从上述控制不同变量得到的实验现象和数据分析可得：（1）活性炭与氧化铜反应效果差，现象不明显且仅有少量砖红色粉末产生；而木炭粉与氧化铜反应效果好，产生明显的红热现象与紫红色铜块。（2）木炭粉与氧化铜不同质量比对实验效果影响较大，木炭粉与氧化铜比例为1：10～1：12效果较好，且将混合物总量控制在1.0～2.0g之间时，反应速率较快。（3）相比于传统的试管口略向下倾斜的固体加热方式，将试管竖直进行加热，酒精灯火焰能够更好地包围药品，反应物也能更充分地接触，聚热效果更好，反应更加有效地进行。（4）试管规格对于反应的情况影响较小，15mm×150mm规格的试管管壁较薄，无法承受反应时产生的高温，试管底部容易破裂；使用18mm×180mm规格的试管比20mm×200mm规格的试管得到的固体产品更具有金属光泽。

3.6进一步需要说明的注意点

（1）分别将木炭粉和氧化铜粉末在蒸发皿里加热烘干约1～2分钟，烘干过程不断用药匙翻炒；尤其木炭粉不宜加热过长，若出现发红现象，应立即停止。

（2）待药品冷却后，按一定的质量比称好，为了让木炭粉与氧化铜更充分地接触，将它们放入同一研钵内，轻轻地沿着一个方向将粉末进行研磨6～7次，研磨过程中，用药匙搅拌混合均匀。

（3）酒精灯里的酒精纯度可选择浓度为90%以上的酒精，以保证酒精燃烧有足够的热量。

3.7实验改进结果

综上比较，确定了实验改进的最终方案（装置如图2）：

木炭粉与氧化铜比例为1：10～1：12，混合物总质量控制在2.0g左右，使用18mm×180mm规格的试管作为反应容器，采取试管竖直加热的方式，用酒精灯加上网罩利用外焰加热。改进后的实验具备如下优点：（1）反应物加工要求低。选择普通的木炭块在研钵研磨成粉，然后放在蒸发皿进行简单的加热烘干，氧化铜也只需要在化学药品店容易购买的普通分析纯粉末，用同样的方法在蒸发皿进行简单的加热烘干，烘干后的药品放在试剂瓶里密封保存，可多次使用。（2）仪器要求简单。只需普通的试管和加上普通网罩的酒精灯。（3）操作简便。（4）反应时间短、实验现象明显。加热后，不到2分钟，黑色固体就出现了红热现象，澄清石灰水变浑浊，待固体冷却后，呈现有金属光泽的紫红色铜块。（5）实验安全可靠，能进行学生分组实验。

4课堂应用

课堂教学中，首先利用教材的装置进行演示，不理想的实验效果引发他们进一步探究的欲望；然后引导学生根据化学反应条件的影响因素，进行不同变量的讨论和对比实践探究，不仅有助于学生进一步认识到化学反应条件是复杂的，同时又是可控的，通过外界条件的控制能影响到化学反应的实现，形成“控制反应条件”的意识，有利于学生在控制单一变量的科学探究中，养成严谨求实、勇于探索、不断创新的科学品质。这对于学生构建科学知识、认识科学方法、养成科学态度等科学素养的提升起到一定的促进作用。endprint