關(guān)于“氫氣還原氧化銅”演示實驗的改進和創(chuàng)新

周勇杰 吳利文

【摘 要】“氫氣還原氧化銅”實驗是華東師范大學(xué)版本九年級科學(xué)下冊中的一個重要化學(xué)實驗，學(xué)生通過這個實驗第一次接觸到還原反應(yīng)。但由于空氣和氫氣都是無色無味的，所以很難判斷試管內(nèi)空氣何時排盡，若空氣未排盡加熱氧化銅粉末，容易發(fā)生爆炸。在實驗過程中，主要還是通過平常積累的經(jīng)驗來判斷，所以這個實驗的安全系數(shù)比較低。改進后利用陶瓷加熱棒對銅絲進行加熱，可以通過改變電流的大小來控制銅絲的溫度，整個實驗過程中銅絲的溫度不高于310℃，遠低于氫氣的著火點（574℃），所以即使操作失誤，在空氣未排盡的情況下對銅絲進行加熱也不會發(fā)生爆炸。裝置改進后實驗效果明顯，并且操作省時省力，大大提高了課堂教學(xué)效果。該裝置榮獲2017年浙江省中小學(xué)優(yōu)秀自制教具評選活動二等獎。

【關(guān)鍵詞】容易爆炸；難清洗；原料利用率低；低于著火點；安全

化學(xué)概念是用簡練的語言高度概括出來的，常包括定義、原理、反應(yīng)規(guī)律等。學(xué)生要形成化學(xué)概念，體驗很重要，通過直接作用于感官的真實實驗，能有助于學(xué)生形成思維，加深對反映物質(zhì)特性的化學(xué)概念的理解。“氫氣還原氧化銅”實驗是華東師范大學(xué)版本九年級科學(xué)下冊中的一個重要化學(xué)實驗，學(xué)生通過這個實驗第一次接觸到還原反應(yīng)。由于氫氣具有可燃性，在加熱之前要先驗純，所以在做該實驗時，要先通一段時間的氫氣，將試管里空氣排盡之后，才能加熱氧化銅，但由于空氣和氫氣都是無色無味的，很難通過肉眼判斷試管內(nèi)的空氣是否已排盡。如果通入氫氣的時間太短，加熱時很容易發(fā)生爆炸，如果通入氫氣時間過長，以及實驗結(jié)束以后冷卻過程中通入的氫氣也直接排到了空氣中，這就進一步增加了教室、實驗室里的不安全隱患。除此之外，教材中該實驗還存在著許多弊端，諸如：實驗結(jié)束后的試管底部光亮的銅鏡很難清洗，整個過程原料的利用率不高，實驗時間過長等，所以該實驗很有改進的必要。

下面我將從實驗的改進緣由、活動目的、原實驗的弊端、改進后實驗的優(yōu)點及其操作步驟五個方面進行闡述。

一、“氫氣還原氧化銅”實驗改進的緣由和經(jīng)過

“氫氣還原氧化銅”實驗裝置改進的緣由，要從2015年11月17日的一次市級教研活動說起，學(xué)校安排我來開展研討課，當(dāng)時選了《金屬氧化和金屬氧化物的還原》這節(jié)課，在備課過程中發(fā)現(xiàn)，由于種種弊端，“氫氣還原氧化銅”這個活動只能作為一個演示實驗來展示，我想能否將這個實驗裝置改進一下，開發(fā)為一個學(xué)生實驗?zāi)兀?/p>

當(dāng)時在網(wǎng)上查閱了很多相關(guān)的文章，比如：比如將較粗的銅絲繞成一個螺線型，用酒精燈將光亮的銅絲加熱氧化后，迅速伸入充滿氫氣的硬質(zhì)玻璃管中進行還原。這個實驗裝置用銅絲代替了氧化銅粉末，解決了實驗后銅鏡難清洗的問題，而且由于裝置是密封的，所以反應(yīng)結(jié)束后冷卻過程中無需持續(xù)通氫氣，解決了氫氣利用率不高的問題，實驗現(xiàn)象也十分明顯。但是，我在用該套裝置進行實驗時成功率并不高，如果將螺線管在酒精燈上充分加熱氧化后，迅速伸入硬質(zhì)玻璃管，由于此時銅絲的溫度過高，氫氣直接被點燃而導(dǎo)致實驗失敗；如果加熱氧化后，稍加冷卻然后伸入硬質(zhì)玻璃管，由于銅絲的溫度過低，沒達到氫氣還原氧化銅的條件，而導(dǎo)致實驗失敗。所以這個實驗裝置還存在較大的弊端，那就是無法控制銅絲的溫度。如果利用電流的熱效應(yīng)對銅絲進行加熱，利用電流的大小來控制銅絲的溫度，能解決以上實驗的不足嗎？

偶然的機會在淘寶上找到了一種新型高效節(jié)能的陶瓷發(fā)熱元件——微型陶瓷加熱棒，最大功率200W，最高溫度能達到1000℃。R≈10Ω，當(dāng)通過的電流為0.7A時，T=225℃。這個溫度剛好滿足氫氣還原氧化銅的條件，但又不會引起爆炸（氫氣的著火點為574℃左右）。

二、“氫氣還原氧化銅”實驗活動目的

1.進一步了解氧化還原反應(yīng)的含義和發(fā)生的條件。

2.認識氫氣的還原性，知道利用氫氣還原氧化銅時應(yīng)該注意的事項。

3.進一步理解物質(zhì)在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。

三、“氫氣還原氧化銅”原實驗的弊端

主要器材：鐵架臺、試管、氧化銅粉末、酒精燈、導(dǎo)管、錐形瓶、鋅粒、稀硫酸、火柴、單孔橡皮塞。

弊端：

1.以氧化銅粉末作為原料，實驗結(jié)束后，試管內(nèi)壁會有一層光亮的紅色銅，不論是用酸堿還是洗滌劑都很難將其除去，且原料無法重復(fù)利用。

2.反應(yīng)結(jié)束后，為了防止灼熱氧化銅再次被氧化，在冷卻過程中需要持續(xù)向試管內(nèi)通氫氣，氫氣的利用率不高。

3.空氣和氫氣都是無色無味的，所以很難判斷試管內(nèi)空氣何時排盡，若空氣未排盡加熱的話，容易發(fā)生爆炸。實驗過程中主要還是要依靠經(jīng)驗來判斷，所以這個實驗的安全系數(shù)較低。

4.實驗中用酒精燈火焰進行加熱，很容易受風(fēng)的影響。

5.氫氣驗純比較麻煩，不夠安全。

四、“氫氣還原氧化銅”實驗裝置改進、實驗創(chuàng)新點及其操作步驟

1.裝置：（1）主要器材：學(xué)生電源、錐形瓶、單孔橡皮塞、導(dǎo)管、硬質(zhì)玻璃管、水槽、洗潔精、鐵架臺、開關(guān)、導(dǎo)線、三通管、空調(diào)密封泥、鋅粒、稀硫酸、細銅絲、火柴、電流表、止水夾。

（2）裝置圖解

2.創(chuàng)新點歸納：

（1）銅絲可以反復(fù)使用，并消除了實驗后試管難清洗的煩惱。

（2）不會爆炸，更安全。整個實驗過程銅絲的溫度不高于310℃，遠低于氫氣的著火點（574℃），所以即使操作失誤，氫氣未純凈加熱也不發(fā)生爆炸。

（3）更節(jié)約藥品。由于硬質(zhì)玻璃管兩端做了封閉處理，實驗結(jié)束后不需要持續(xù)通氫氣。

（4）用肥皂泡來氫氣驗純，更方便、快捷。

4.實驗步驟：

（1）實驗前打開電源，閉合開關(guān)，加熱陶瓷棒，將銅絲表面氧化為黑色氧化銅后，斷開開關(guān)。

（2）檢查裝置氣密性，將導(dǎo)管伸入水槽中，用手捂住錐形瓶，若導(dǎo)管口有氣泡則氣密性良好。

（3）加入藥品，反應(yīng)開始。

（4）右邊水槽中出現(xiàn)氣泡，用火柴點燃氣泡，如沒有出現(xiàn)尖銳爆鳴聲，則玻璃管內(nèi)氣體純凈了。

（5）調(diào)節(jié)電源電壓為10V，閉合開關(guān)，I=0.7A左右，大約經(jīng)過30s左右氧化銅開始被還原。

（6）當(dāng)還原結(jié)束后，斷開開關(guān)，用止水夾夾住硬質(zhì)玻璃管兩端橡皮管，拔掉錐形瓶口的橡皮塞，回收廢液和鋅粒，等待完全冷卻后，取出銅絲。

五、改進實驗的意義

初中化學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，因為學(xué)生初次學(xué)習(xí)化學(xué)，對化學(xué)知識知之甚少，通過實驗改進，使學(xué)生在觀察實驗，掌握氫氣的化學(xué)性質(zhì)的同時，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生觀察實驗、動手創(chuàng)新實驗和改進實驗的能力，從而提升學(xué)生的素質(zhì)。同時，化學(xué)實驗的節(jié)能減排是當(dāng)前化學(xué)研究中的一個重要課題，而上述實驗的改進，恰好針對這一不利情況進行改進，讓實驗在密閉容器中進行，使學(xué)生既完成了化學(xué)知識的學(xué)習(xí)與探究，也培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能、環(huán)保意識。

【參考文獻】

[1]淺談初中化學(xué)實驗教學(xué)的重要性

[2]氫氣還原氧化銅實驗的改進

[3] 淺談化學(xué)實驗改進的意義.《中學(xué)課程輔導(dǎo)：教師教育》，2017（6）

[4] 化學(xué)實驗室中的節(jié)能減耗環(huán)節(jié)探討.《中國化工貿(mào)易》，2016.8（9）