探究木炭还原氧化铜实验成功的关键因素及历史渊源

钱亚兵等(2003)用酒精灯加热Y型管内木炭、炭黑、活性炭、石墨粉和氧化铜的混合物进行实验，发现木炭和氧化铜的比例在1∶1之间时实验效果较好。郝金生等(2005)设计了不同的比例(13∶12)，总量为13∶12，总量为5。姜等(2005)采用用酒精灯加热质量比为1∶1的混合物的方法，成功率达90％，特点是将装置由卧式改为立式。杨绍武(2009)用电烙铁作为热源，先将绕好的铜线氧化，再用木炭粉还原氧化铜。 综上所述，木炭还原氧化铜实验的改进通常从三个方面进行：一是用其他形式的碳代替木炭；二是调整混合料的配比和用量；三是提高热源的温度；四是改变实验装置。实验方法设计与实施211实验设计思路在对现有实验研究分析的基础上，笔者认为，一个好的教学实验应符合物资简单、现象明显、安全可靠的原则。与其他替代品相比，木炭更容易获得、更经济，应作为首选反应物；反应混合物的配比和用量对实验效果影响较大，应进行详细研究；酒精喷灯的温度虽然比酒精灯高得多，但其使用要求高，在中学化学实验室中并不普及，应尽可能采用酒精灯作为热源；原有的卧式试管装置加热不集中，应考虑采用更为有利的实验装置。 作者的改进策略是：选取不同比例和数量的木炭和氧化铜混合物，以酒精灯为加热源，在立式装置中进行化学实验（图2）。

mail:@实验控制与数据处理21211实验药物与仪器木炭(市售)、氧化铜(分析纯，天津市辅辰化学试剂厂)、澄清石灰水、电子天平、酒精灯、硬质试管()、铁丝网盖、铁架、带胶塞的导管、弹簧水塞。 21212 总质量相同（2种不同比例）的实验对比 根据木炭还原氧化铜的反应化学方程式：，选取不同比例的药物研磨成粉末混合均匀，分别两次称量，实验时温度在25~30度之间，实验记录见表1，在得到初步结果后，设计了一组比例在10~111之间的实验（表2） 1′51″1′43″1′57″2′21″2′00″1′53″ 浑浊红热，产生大量气泡，浑浊红热，浑浊红热，浑浊红热，浑浊偶尔红热，气泡，石灰 不同比例暗红色层状粉末的实验对比 比例1：1 加热时间 2′30″ 1′51″ 1′45″ 2′02″ 实验现象 红热，产生大量气体 红热，大量气体 红热、大量气体 实验结果 亮网铜混合少量黑色粉末 亮网铜 亮红色网铜块，颜色微红 21213 实验数据分析 当混合物总质量为212时，可以观察到明显的红热现象，并有大量气体放出，使清澈的石灰水变得浑浊；当比例为11313时，较难见到红热现象，放出的气体量也较少。

从产物分析，配比在110-111时，反应比较完全，生成鲜红色的蜂窝状（网状）金属铜块，具有延展性，为反应最佳配比范围。配比在10之间时，出现反应不完全的炭粉，且炭粉含量越高，残留的黑色粉末越多，但表面生成的铜珠较大。配比在113-13之间时，产物主要为层状的深红色粉末。单独使用炭粉（0.15）进行实验时，在加热过程中试管底部微微变红，加入清石灰水1分钟后变浑浊，1分钟后明显浑浊。冷却后称量残留物，发现减少了约0.105，说明在加热过程中约有10%的炭粉与试管中的氧气发生了反应。 2.13实验结论木炭还原氧化铜反应可以在比较宽的配比范围(1.12)内发生，在低配比段，可得到金黄色的铜珠，但同时出现残留的黑色木炭粉；在10~111之间，配比较高时，易生成红色的氧化亚铜(Cu2O3)。还原反应后铜珠的大小应该与反应过程中放出的热量有关，足够的热量能使小的铜粒熔化成较大的铜珠。当混合料中木炭的用量足够时，往往能得到较大的铜珠，说明木炭的用量稍过量有利于此反应。单纯加热木炭粉产生的气体，也能使石灰水变浑浊。因此，石灰水的浑浊度不能作为木炭与氧化铜发生反应的充分证据。

木炭还原氧化铜实验成功的关键从前面的实验研究与讨论可以看出，木炭还原氧化铜实验成功的关键因素有两个：一是引发反应所需的温度；二是反应物的选择与处理，如粒度、配比、用量等。下面我们结合实验来分析一下这两个方面。 311 提供持续稳定的高温引发反应 虽然木炭还原氧化铜的反应为放热反应，但是从热力学角度来说，要促使这个反应进行，需要克服一定的活化能，而且反应物都是固体，相互混合后，接触面小，增加了反应的难度，所以稳定的高温是实验成功的关键因素之一。 酒精灯的火焰温度可达600℃左右，但因为火焰受温度及周围气流的影响，需加铁丝网罩收集热量，再用挡风罩稳定气流，所以没必要使用酒精喷灯。实验装置也会影响加热的效率。在水平装置中，由于药物是平放叠放的，用酒精灯加热时只有部分药物被加热，而且试管内的气流使热量难以集中，难以形成稳定的高温，反应通常只发生在试管内壁受热部位，效果显然不佳。垂直装置则不同，反应混合物被压实在试管底部，调节酒精灯加热时，整个试管下部可完全被外焰包围，热量分布均匀，可得到持续的高温。因此木炭还原氧化铜，一般在约1min内即可引发反应。 木炭还原氧化铜的反应是强烈的放热反应，一旦发生反应，就会出现“红热现象”：反应热能使反应物变成红色，从反应物底部蔓延至顶部，十分耀眼。

与此同时，试管管口还迅速释放出使石灰水变浑浊的气体，整个过程可持续数秒钟。所以，在实验过程中，反应产物呈现红热状态，释放出的气体可使石灰水变浑浊，产物见亮铜珠或网状，鲜红色的金属铜应该是判断反应是否顺利进行的标志！312反应物的混合比例及用量本实验所用反应物为氧化铜和木炭。氧化铜可选用一般化学试剂；木炭市售，燃烧彻底，但因为燃烧木炭所用的原料来源和方法不同，木炭中的碳含量也会不同，所以不同的人做这个实验会得到不同的数据。我们实验中，在10-111时反应已经非常完全，与刘怀乐老师（1 1016）的估计一致。 有人认为是1 11，也有人单纯只认识到“最佳配比”因人而异、因地而异。使用新试剂时，需要做实验。另外，混合反应物的总量也是不可忽视的因素，量太少，现象不明显，量太多，反应过于激烈。为了安全可靠，作者设计了如下实验：选取11种混合液，分别用110g和115g。 相同比例（111）但总质量不同的对比实验 总质量/ 加热时间 实验现象 成功率/ 210 1′41″ 红热，大量气泡 100 115 1′56″ 红热较多，气泡较多 ~70 110 1′38″ 红热较少，气泡较少 ~30 作者的解释是： 此反应引发红热现象的条件，是让试管中的混合反应物经过灯的火焰加热后，接近反应所需的温度，当底部的物质开始反应时，放出的热量使得附近的反应物也达到反应温度，红热现象蔓延开来。

要完成这一过程，初始加热阶段要求在较短的时间内积累热量，而混合物的大小此时起着重要作用。当量较少时（如110），火焰产生的热量很容易通过热传递散发到试管内的气体中，反应只在底部局部发生； 当量增多时(比如210)，一定的厚度的混合料可以阻断热量的散失，有利于热量的积累，从而提高实验的成功率。显然，在这个过程中存在着热量的积累和散热的竞争，这也是为什么同样的实验有时候成功，有时候失败的关键所在! 313 实验操作中的注意事项 上面讨论了加热装置、混合反应物用量对本实验的影响，实际操作中有几个问题需要注意。 一是混合料的处理和装填。试剂氧化铜为粉末状，可直接使用；而木炭为块状，必须磨成粉后才能使用。用研钵将木炭研磨后筛在纱布上，即可得到木炭粉。按比例与氧化铜粉混合均匀，称取适量，用纸槽将混合料送至试管底部，然后轻拍使其压实也可用玻璃钉轻轻压紧网校哪个好，挤出混合物中尽可能多的空气，增加木炭与氧化铜粉的接触面。二是预热试管中的混合物。反应混合物中通常含有微量的水分，尤其是木炭木炭还原氧化铜，对杂质的吸附能力很强，为了使反应顺利进行，应进行预热。预热不仅可以驱走反应物中混入的低沸点物质和水蒸气，从而防止水蒸气凝结回流，而且可以有效减少试管中残留空气量，减少氧气对实验的影响。值得注意的是，如果实验过程中加热时出现木炭粉冲上来，这往往是由于试剂没有压紧或预热不充分造成的。三是装置中试管内止水夹的使用，从预热开始到出现红热现象前止水夹一直处于打开状态。 待大量气泡喷涌而出，管口气泡逐渐平静后，关闭止水夹，让产品自然冷却，此时试管内残留的二氧化碳气体成为保护气。