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1、碳还原氧化铜反应装置改进及实验探究摘要：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： B1 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，为了探究碳单质在咼温下能
2、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、咼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咼，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
3、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
4、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 x 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
5、有限，所以选择了常见的碳单质木炭粉和活性炭粉的 ？卩取。咎糠凼墙？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67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 18mmx 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 ：1 3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1：91：13之间，粉末混合物总质量控制在12.5g之间；试管
6、规格仍均为18mm x 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 x150mm、18mm x 180mm、20mm x 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
7、，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: 101: 12效果较好，且将混合物总量控制在1.02.0g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，15mmx 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 18mmx 180mm 规格的试管比 20mmx 200mm 规格的试管得到的固体产品更具有金属光泽。3
8、.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12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
9、x 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。