木炭還原氧化銅實驗的再探究

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，在總結文獻資料相關方法的基礎上，探究木炭還原氧化銅實驗的最佳反應條件。使用自制的高活性木炭粉，以酒精燈為熱源，在傳統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，實驗現象明顯，成功率高，有良好的課堂演示效果。

關鍵詞：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”實驗是初中化學一個重要的固相反應演示實驗，可以讓學生學習固相反應，了解木炭具有還原性，在化學教學中有著重要的意義。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、實驗現象不明顯、裝置復雜等問題。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，實驗效果明顯；任娟等[2]采用固相反應法直接制備納米氧化銅，且木炭與納米氧化銅的質量比為1：10，以裝有95%酒精的酒精燈作為熱源加熱。在反應物配比方面，李曉萍[3]認為實驗關鍵條件是反應物配比，其他因素只是影響了配比，反應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，使裝置可重復使用，操作簡便，現象明顯，藥品用量少，適合學生分組實驗；劉彬[5]在采用硬質玻璃管（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的最佳條件，節省藥品并減少廢棄物的排放，可培養學生的環保意識。作為一個典型的固相反應，衛澤敏等[6]從固相反應原理解析該反應的反應條件，對于可自發進行的固相反應而言，反應溫度、反應混合物的干燥及機械加工程度是影響反應速率的主要因素。筆者認為反應物的顆粒及混勻程度是該實驗至關重要的影響因素，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物，以普通酒精燈為熱源，在傳統的固固加熱（固相反應）的實驗裝置中進行實驗，操作過程簡單、安全，反應時間短，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、導管、止水夾、單孔橡皮塞、燒杯（100mL）

3 實驗步驟及現象

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。用普通酒精燈預熱后，集中火力在物料下加熱。加熱到2′30″左右可發現物料劇烈反應，出現紅熱現象，同時導管口冒出大量氣體，伴有白煙，澄清石灰水變渾濁。用止水夾夾緊導氣管上的橡皮管，熄滅酒精燈。待冷卻后倒出物料，可以發現物料變成磚紅色且有金屬光澤的銅粒生成。

4 實驗結果及討論

4.1 實驗結果

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量比約為1：10，反應物于研缽中充分研磨以提高固體間的接觸面積。在傳統固固加熱的反應裝置中，利用普通酒精燈為熱源加熱，最終反應現象明顯（出現紅熱），反應時間短，反應產物有大顆紅色的銅粒出現。該實驗采用教材的原型裝置，學生易于接受，實驗操作簡便、易行，實驗現象明顯，成功率極高，具備了一個演示實驗所需的條件。

4.2 討論

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

關于木炭和氧化銅的質量比，筆者經過實踐發現木炭與氧化銅的比例在1：5～1：11的范圍都可以發生反應并觀察到紅熱現象，只是木炭比例較高時反應后會有較多黑色的碳殘留，生成的銅粒比較細小。反應物的質量比例在1：10左右較為適宜，在此比例下反應較為徹底，有大顆的銅粒生成，利于學生觀察。

如何提高加熱效率以加快微粒的擴散速度和成核速度，以引發顯著的反應（紅熱）也是關鍵因素。在反應熱源方面，若用酒精噴燈加熱，可較快地達到反應溫度，1min左右即可觀察到劇烈的燃燒現象，此時反應的熱效應產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，要獲得經熔化而成珠狀、小塊狀的銅，主要是靠其反應熱，并使反應熱集中不分散。所以該實驗的加熱僅僅是引發，使反應迅速發生，使熱量集于一小處就成了成功關鍵，故選用普通酒精燈加熱就可以了。要注意調節燈焰達到較佳狀態，加熱時一定要防止火焰飄動，可在酒精燈上加上一個防風罩，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，反應物太少無法形成大顆的銅粒，不利于學生觀察反應產物。反應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鍵因素）、烘干（反應物烘干去水也是本實驗成功很重要的關鍵因素）、適當的質量比及保證穩定的熱源的情況下，就可利用傳統固固加熱裝置在較短時間內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].中學化學教學參考，2010，（1）：49～50.

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

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

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

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

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