汪阿戀+吳新建+張賢金+葉燕珠

摘要：為解決木炭還原氧化銅實驗存在的不足，在總結(jié)文獻資料相關(guān)方法的基礎(chǔ)上，探究木炭還原氧化銅實驗的最佳反應(yīng)條件。使用自制的高活性木炭粉，以酒精燈為熱源，在傳統(tǒng)的固固加熱裝置中進行木炭還原氧化銅的比較實驗，使操作簡便，實驗現(xiàn)象明顯，成功率高，有良好的課堂演示效果。

關(guān)鍵詞：木炭還原氧化銅；實驗探究；演示實驗；實驗改進

文章編號：1005–6629（2015）4–0066–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“木炭還原氧化銅”實驗是初中化學(xué)一個重要的固相反應(yīng)演示實驗，可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)固相反應(yīng)，了解木炭具有還原性，在化學(xué)教學(xué)中有著重要的意義。但由于該實驗影響因素較多，若控制不好條件往往得不到明顯的實驗現(xiàn)象，是一個公認的疑難實驗。近年來許多人對該實驗進行了探究，也有不少的改進方案，但仍然存在實驗成功率不高、實驗現(xiàn)象不明顯、裝置復(fù)雜等問題。如何做好該實驗，還需做深入探究。

1 實驗改進方案綜述

人們從不同的角度對該實驗進行了改進，有人從反應(yīng)物選擇方面入手，例如蒯世定等[1]采用加熱銅綠[Cu2（OH）2CO3]生成的新制氧化銅與木炭粉、石蠟等反應(yīng)，實驗效果明顯；任娟等[2]采用固相反應(yīng)法直接制備納米氧化銅，且木炭與納米氧化銅的質(zhì)量比為1：10，以裝有95%酒精的酒精燈作為熱源加熱。在反應(yīng)物配比方面，李曉萍[3]認為實驗關(guān)鍵條件是反應(yīng)物配比，其他因素只是影響了配比，反應(yīng)物木炭與氧化銅的最佳配比為1：10.5～1：11，干燥與否、稱取木炭質(zhì)量的不同等因素只是造成了實際比例的改變。有的老師則改換了實驗裝置，比如李穎等[4]選擇了自制的胖肚移液管來做這個實驗，使裝置可重復(fù)使用，操作簡便，現(xiàn)象明顯，藥品用量少，適合學(xué)生分組實驗；劉彬[5]在采用硬質(zhì)玻璃管（Φ7×85mm）制作的微型儀器中進行實驗，并利用正交試驗方法選擇反應(yīng)的最佳條件，節(jié)省藥品并減少廢棄物的排放，可培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識。作為一個典型的固相反應(yīng)，衛(wèi)澤敏等[6]從固相反應(yīng)原理解析該反應(yīng)的反應(yīng)條件，對于可自發(fā)進行的固相反應(yīng)而言，反應(yīng)溫度、反應(yīng)混合物的干燥及機械加工程度是影響反應(yīng)速率的主要因素。筆者認為反應(yīng)物的顆粒及混勻程度是該實驗至關(guān)重要的影響因素，在以往的文獻中更多的是探討如何制得高活性的氧化銅，而本文則著重闡述木炭粉的制備。對于初中生來說實驗裝置越簡單越好，最好能與教材提供的裝置相符。故筆者采用自制的木炭粉、市售的粉末狀氧化銅作為反應(yīng)物，以普通酒精燈為熱源，在傳統(tǒng)的固固加熱（固相反應(yīng)）的實驗裝置中進行實驗，操作過程簡單、安全，反應(yīng)時間短，成功率高，演示效果好。

2 實驗藥品及儀器

藥品：木炭（市售，塊狀）、粉狀氧化銅（分析純，福晨化學(xué)試劑廠）、澄清石灰水

儀器：攪拌機（又稱粉碎機）（美國waring公司，型號HGB2WTS3，功率400W）、玻璃棉、試管、酒精燈、導(dǎo)管、止水夾、單孔橡皮塞、燒杯（100mL）

3 實驗步驟及現(xiàn)象

3.1 實驗藥品準備

自制木炭粉：將塊狀木炭（約22g）直接放入攪拌機中，在高轉(zhuǎn)速模式下進行粉碎，直至木炭粉用肉眼觀察已無小炭粒反光。一次可制得約20g的木炭粉，攪拌時間3min左右，需注意在粉碎過程中每隔1min使機器暫停運轉(zhuǎn)以免過熱。

藥品干燥：分別取研磨好的木炭粉（約20g）及市售的氧化銅粉末（約50g）置于兩培養(yǎng)皿中，放入烘箱中于120℃干燥2h，烘干后分別裝入試劑瓶并放在干燥器中待用。

3.2 實驗步驟及現(xiàn)象

稱取0.4g干燥的木炭粉，4.0g左右的氧化銅粉末，放入一干凈的研缽中，用力研磨3～4min使反應(yīng)物充分混勻。將研磨后的物料大部分裝入 15×150mm的普通試管中，豎直試管于石棉網(wǎng)上輕敲幾下使其夯實，再橫放試管輕敲幾下，在靠近物料的地方填入適量的玻璃棉。按圖1所示的示意圖將實驗裝置組裝好。用普通酒精燈預(yù)熱后，集中火力在物料下加熱。加熱到2′30″左右可發(fā)現(xiàn)物料劇烈反應(yīng)，出現(xiàn)紅熱現(xiàn)象，同時導(dǎo)管口冒出大量氣體，伴有白煙，澄清石灰水變渾濁。用止水夾夾緊導(dǎo)氣管上的橡皮管，熄滅酒精燈。待冷卻后倒出物料，可以發(fā)現(xiàn)物料變成磚紅色且有金屬光澤的銅粒生成。

4 實驗結(jié)果及討論

4.1 實驗結(jié)果

利用攪拌機對市售木炭塊進行處理，方法簡單易操作、費用低、高效，制得的木炭粉粒度小、活性高。自制木炭粉與市售氧化銅的質(zhì)量比約為1：10，反應(yīng)物于研缽中充分研磨以提高固體間的接觸面積。在傳統(tǒng)固固加熱的反應(yīng)裝置中，利用普通酒精燈為熱源加熱，最終反應(yīng)現(xiàn)象明顯（出現(xiàn)紅熱），反應(yīng)時間短，反應(yīng)產(chǎn)物有大顆紅色的銅粒出現(xiàn)。該實驗采用教材的原型裝置，學(xué)生易于接受，實驗操作簡便、易行，實驗現(xiàn)象明顯，成功率極高，具備了一個演示實驗所需的條件。

4.2 討論

固相反應(yīng)在一般情況下都屬于非均相反應(yīng)，由于固體質(zhì)點間具有很大的作用力，擴散受到限制使得反應(yīng)活性較低，反應(yīng)速度較慢，通常需要在高溫下進行。反應(yīng)物的組成和活性、反應(yīng)物顆粒的均勻性、反應(yīng)溫度、壓力和氣氛等因素都會影響固相反應(yīng)。木炭還原氧化銅作為一個典型的固相反應(yīng)，木炭和氧化銅的質(zhì)量比、加熱效率、機械加工及混合程度等都會影響該反應(yīng)的速率，本文就這幾個方面對實驗的影響進行了探討。

關(guān)于木炭和氧化銅的質(zhì)量比，筆者經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)木炭與氧化銅的比例在1：5～1：11的范圍都可以發(fā)生反應(yīng)并觀察到紅熱現(xiàn)象，只是木炭比例較高時反應(yīng)后會有較多黑色的碳殘留，生成的銅粒比較細小。反應(yīng)物的質(zhì)量比例在1：10左右較為適宜，在此比例下反應(yīng)較為徹底，有大顆的銅粒生成，利于學(xué)生觀察。

如何提高加熱效率以加快微粒的擴散速度和成核速度，以引發(fā)顯著的反應(yīng)（紅熱）也是關(guān)鍵因素。在反應(yīng)熱源方面，若用酒精噴燈加熱，可較快地達到反應(yīng)溫度，1min左右即可觀察到劇烈的燃燒現(xiàn)象，此時反應(yīng)的熱效應(yīng)產(chǎn)生的高熱量常常會將試管燒破迸射出紅熱的銅，故一定要做充分預(yù)熱，防止試管燒破。另外用酒精噴燈作為熱源，有點燃不方便（耗時長）且噪聲較大等不足。按照筆者的做法，只需用普通酒精燈加熱，在2.5min左右即可觀察到明顯的紅熱現(xiàn)象，做到了既安全又可靠。銅的熔點是1083℃，該溫度遠高于酒精燈火焰溫度，要獲得經(jīng)熔化而成珠狀、小塊狀的銅，主要是靠其反應(yīng)熱，并使反應(yīng)熱集中不分散。所以該實驗的加熱僅僅是引發(fā)，使反應(yīng)迅速發(fā)生，使熱量集于一小處就成了成功關(guān)鍵，故選用普通酒精燈加熱就可以了。要注意調(diào)節(jié)燈焰達到較佳狀態(tài)，加熱時一定要防止火焰飄動，可在酒精燈上加上一個防風(fēng)罩，且最好選用小號或中號試管，試管過大，成功率明顯下降。

反應(yīng)物的粒度大小及混合程度會影響固體表面積及固體間的接觸面積，這是該實驗的關(guān)鍵點。筆者用攪拌機將市售的塊狀木炭進行打磨，可快速地制得粒度很小的木炭粉，而市售的氧化銅粉末則無需再研磨。物料的總量要控制在4.0g左右，反應(yīng)物太少無法形成大顆的銅粒，不利于學(xué)生觀察反應(yīng)產(chǎn)物。反應(yīng)混合物要在研缽中用力充分地研磨，填料要壓實以增加木炭和氧化銅的接觸面積。

綜上所述，木炭還原氧化銅實驗在反應(yīng)物有足夠的機械加工程度（保證磨細、研勻，是本實驗成功的最重要的關(guān)鍵因素）、烘干（反應(yīng)物烘干去水也是本實驗成功很重要的關(guān)鍵因素）、適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量比及保證穩(wěn)定的熱源的情況下，就可利用傳統(tǒng)固固加熱裝置在較短時間內(nèi)獲得良好的課堂演示效果。

參考文獻：

[1]蒯世定，楊道華.碳還原氧化銅實驗的探究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2010，（1）：49～50.

[2]任娟，楊東清.納米氧化銅在中學(xué)化學(xué)演示實驗中的應(yīng)用研究——碳還原氧化銅實驗的改進[J].化學(xué)教與學(xué)，2013，（4）：85.

[3]李曉萍，鄭琳戈.木炭還原氧化銅實驗成功的關(guān)鍵[J].中小學(xué)實驗與裝備，2007，（6）：12～13.

[4]李穎，杜晶晶.木炭還原氧化銅實驗改進2例[J].化學(xué)教育，2010，（2）：71～72.

[5]劉彬.碳還原氧化銅的探究[J].化學(xué)教與學(xué)，2011，（9）：91～93.

[6]衛(wèi)澤敏，吳先強.以木炭還原氧化銅探究固相反應(yīng)機理及反應(yīng)條件[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（8）：48～49.