木炭还原氧化铜实验的研究与新设计

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1、木炭还原氧化铜实验的研究与新设计摘要本文对木炭还原氧化铜实验困难主要原因进行了深入探讨，并针对这一实验的关键，提出了将反应启动与现象观察分为3个连续过程进行的新实验思路。关键词木炭还原氧化铜新设计木炭还原CuO是中学化学重要实验，但教材提供的实验方法成功率不高，按刘怀乐老师说法，“木炭还原CuO仍然是初中化学实验中至今还没有完全解决的最难最难的一个演示实验”[1]。据笔者观察，现阶段仍有相当多实验者不能成功做好这一实验。1.实验应达到的效果教学中实验应达到：（1）有鲜明现象证明反应生成铜单质，最好效果是得到紫红色铜块。（2）有鲜明现象证明反应生成了二氧化碳（石灰水浑浊）。（3）反应放热，应发

2、现反应启动后停止加热仍继续红热燃烧。现象（1）、（2）必须保证，现象（3）应尽可能达到。教学中相当多实验者仅能勉强发现石灰水浑浊或勉强观察到红色物质生成，能使反应红热燃烧的不多。2.实验改进主要现状近年来，各种刊物针对实验改进的论文众多，主要是：一，从药品入手，如选择新制的炭、复印机的炭粉，用铜片新制CuO等；二，从热源入手，如特制大火酒精灯、三芯灯或电热器等；三，对装置改进，如特制试管，将混合物涂抹试管内壁，将试管包石棉网等。这些改进一定程度使效果改善，但药品与热源的选取等常不尽人意，使这些改进未能普遍推广。3.反应探讨3.1理论分析3.1.1酒精灯温度能否使反应自发进行？据热力学数据[2

3、]，表一反应物、生成物相关热力学数据（298.15K）/(kJ.mol-1)/(kJ.mol-1)/(J.k-1.mol-1)C(石墨)0.00.05.7CO2(g)-393.5-394.4213.8Cu(cr)0.00.033.2CuO(cr)-157.3-129.742.6在等温等压不做体积功时，计算反应相关数据如下表：表二　2CuO(s)+C(石墨)＝2Cu(s)+CO2(g)热力学数据（298.15K）6ΔGθΔHθΔSθ-135.0kJ·moL-1-78.9kJ·moL-1191.3J·moL-1·k-1这说明，炭还原CuO既是焓减反应又是熵增反应，任何温度均能自发进行。正常燃烧的

4、酒精灯温度为600℃左右（见表五，一般认为400℃-500℃），从吉布斯—亥姆霍茨（Gibbs-Helmholtz）方程计算，酒精灯温度时，吉布斯自由能约为-245.9kJ·moL-1，显然，酒精灯温度对反应自发进行极有利。同时，由于反应生成的CO2不断逸散，反应不存在平衡的建立。3.1.2酒精灯温度能否引发反应？炭还原CuO是固相反应，特点是：固体质点间作用力大，扩散受限制，反应组分局限在固体中，使反应只能在界面进行。固相反应有两个基本过程，第一是反应物旧键断裂和生成物新键形成并形成新产物的核；第二是物质迁移到反应区域，影响核的形成。炭还原CuO反应物旧键断裂较困难，特别是木炭、活性炭实质

5、是石墨晶体，碳原子以sp2杂化轨道与邻近3个碳原子形成C—C间σ键并p电子形成п键，排列成六角平面网状结构，C—C键能大，晶体结构异常稳定。固体物质迁移很困难，通常固体粒子扩散的平均路程（μm数量级）和在固体内扩散速度（约为同温度气体、液体的百万分之一）都决定了木炭还原CuO反应较难发生。据泰曼（Tamnann）规则，固相反应能够显著进行的温度是反应物的泰曼温度较低者决定的。未查到炭还原CuO反应温度，可据泰曼温度估算：表三碳单质及氧化铜的熔点[3]反应物C(金刚石)C(石墨、无定形碳)CuO（s）熔点/℃＞35503652-3697（升华）1326无机物的泰曼温度约为0.5Tm[4],熔点

6、较低者为CuO，熔点1326℃，即1599K，其泰曼温度约为800K（0.5Tm），即527℃。显然，炭还原CuO反应的温度在正常燃烧的酒精灯温度（600℃左右）之下，酒精灯温度能顺利引发反应并显著进行。3.2实验证明上述结论是否合理，笔者实验实证。药品：炭粉：A.较疏松木炭;B.较坚硬木炭;C.活性炭（分析纯）;D.蔗糖脱水制得的炭（先自来水，再蒸馏水多次漂洗至漂洗液pH值接近7）；氧化铜（分析纯）药品按m(C):m(CuO)=1:10.6混合，分别研磨8min。取2g实验。现象：表四不同炭粉与氧化铜不同加热方式反应现象对比6炭粉种类ABCD方法1：薄铜片（打小孔逸散CO2）包裹灼烧1ˊ1

7、0〞引发，红热燃烧，冷却后紫红色铜块。收集气体注入石灰水浑浊显著。1ˊ25〞引发，红热燃烧，冷却后紫红色铜块。收集气体注入石灰水浑浊显著。1ˊ20〞引发，红热燃烧，冷却后紫红色铜块。收集气体注入石灰水浑浊显著。3ˊ40〞引发，红热燃烧，冷却后红色铜稍差。收集气体注入石灰水浑浊显著。方法2：18×180mm试管加热（火焰无晃动）2ˊ10〞石灰水浑浊，4ˊ00〞气泡减少，8ˊ10〞气泡几乎停止。药品变红，无红热现