模擬古代火法煉銅的實驗探究和教學

方昊成

摘要： 為提升學生實驗探究和解決實際問題的能力，設計以古代火法煉銅為情境，通過文獻資料與木炭還原氧化銅實驗作對比，引導學生進行實驗設計并用于實踐。在第一次實驗后，引導學生分析實驗原理，并作進一步改進，成功完成模擬古代銅的冶煉的第二次實驗。通過實驗探究和教學，助力學生自主形成“碳與碳的氧化物”的知識網絡，提升綜合問題的解決能力，發展學科核心素養。

關鍵詞： 模擬火法煉銅； 實驗探究； 核心素養

文章編號： 1005-6629（2024）02-0058-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

在學習初中化學“碳和碳的氧化物”內容的過程中，碳與一氧化碳的可燃性和還原性知識是分開敘述相互獨立的，但在真實情境中它們又是相互交織在一起。不少教師提倡的主題式、項目式學習，都偏向于以二氧化碳的性質為核心進行學習和復習，這樣便缺失了“碳三角”的重要轉化關系，對知識網絡的建構不利。新課標強調要以核心素養為導向進行化學教學活動，在真實情境中基于實驗事實去解決問題。中國古代銅的冶煉情境既是一個真實情境，也與碳和碳的氧化物教學內容緊密相關。教學設計可以盡量從藥品到裝置靠近古代煉銅的模擬實驗為核心，在真實情境中去解決真實問題。在教學過程中，學生通過兩次實驗——一次嘗試和一次改進，真正形成知識網絡結構，提升對復雜問題的解析能力、設計實驗的思維水平和實際問題的解決能力，落實化學學科核心素養。

1 實驗原理和實驗設計思路

不同于課堂上做的“木炭還原氧化銅”實驗，在建構真實情境時要從古代史實和文獻入手設計實驗，并分析其實驗原理。

1.1 根據文獻進行設計和調整

1.1.1 還原劑的選擇：用煤炭代替木炭

課本上的實驗通常使用木炭還原氧化銅。中國在西漢時就已經正式用煤冶煉金屬［1，2］，木炭由于大量消耗森林資源逐漸被淘汰。有詩云：“地下神奇鐘石炭，人間貨利設煤窯。開山作穴如穿井，引火成炊不采樵”。詩中“石炭”就是煤或煤炭，寫的是有了煤炭之后，樵夫就不用砍樹燒炭了。因此古代冶煉金屬一般用煤炭而不是木炭。且從課下的實驗效果來看：煤炭>活性炭=木炭>>純碳（石墨）。這是因為煤炭在密閉無氧的條件下干餾能夠產生許多還原性氣體，因而本實驗選擇更加真實的煤炭粉末代替木炭粉末。

1.1.2 配料比的選擇：使用過量的炭

倪慎樞《采銅煉銅記》記載“……用炭八九千斤，不過得銅五六百斤”，計算所使用的炭與氧化銅的質量比，發現炭的物質的量大于氧化銅。一部分原因是因為真實煉銅的過程中需要消耗氧氣，碳與氧氣發生反應產生熱量。學生在第一次模擬實驗中使用的是煤炭粉（以單質碳計）與氧化銅物質的量之比為1∶2（質量比1∶13.3）的配料比，實驗效果不理想。在增加炭粉的用量后，第二次實驗結果大大改善。莊曉松和王祖浩［3］也認為C與CuO的物質的量之比為1∶1.59（質量比1∶10.6）時實驗效果最好，也大于理論上的1∶2。因此在設計實驗時應該讓碳過量，以產生充分的還原氣氛。

1.1.3 輔料的選擇：碳酸鉀的使用

陸容《菽園雜記》記載“……炭七百擔，柴一千七百段，雇工八百余。用柴炭裝疊燒兩次，共六日六夜”，洪咨夔《大冶賦》記載“炭周繞，薪環附。若望而燎，若城而炬”。可以得知，古代煉銅過程中都使用了薪柴。薪柴的作用有三：一是燃燒產生熱量；二是燃燒產生的碳酸鉀，是碳還原二氧化碳的催化劑［4］；三是碳酸鉀還是工業煉銅的助熔劑，因此在實驗過程中還需要加入一定比例的碳酸鉀。

1.1.4 裝置的選擇：石英坩堝的使用

倪慎樞《采銅煉銅記》記載“其爐長方高聳，外實中空，下寬上窄，高一丈五尺，寬九尺，底深二尺有奇。前為火門，架炭入礦之路也……”。圖1為根據考古和文獻復原的豎爐煉銅裝置［5］，因此實驗中用石英坩堝代替試管進行模擬實驗。相比于瓷質坩堝，石英坩堝是透明的，便于學生觀察實驗現象。

1.2 實驗原理分析

綜上所述，模擬古代煉銅的主要化學反應及原理有：

① C+2CuO高溫2Cu+CO2↑

② C+CO2碳酸鉀高溫2CO

③ CO+CuO△Cu+CO2

④ 其他諸如碳的完全燃燒、碳的不完全燃燒、一氧化碳的燃燒等。

⑤ 煤炭干餾得到焦炭、煤焦油、一氧化碳、氫氣以及還原產物等。

2 教學過程

2.1 情境引入，提出問題

通過呈現青銅器、銅錢等圖片，引發學生對中國古代煉銅的興趣，隨后提出本課的問題——古代煉銅的原理是什么？后面圍繞這一問題開展分析、設計、實驗、改進、再實驗、再分析、總結等一系列問題解決的基本教學流程。

2.2 通過比較，設計模擬實驗

（1） 首先呈現《采銅煉銅記》、《菽園雜記》、《大冶賦》、圖1的復原圖等文獻的部分內容，學生將此與學習過的木炭還原氧化銅進行對比，找出其中的異同點。比如，①裝置不同；②加入的原料中除了銅礦石、炭之外，還加入了薪柴，薪柴燃燒形成草木灰，即碳酸鉀；③更廣泛地使用煤炭而不是木炭；④文獻中的“裝疊”表示原料并不是粉末狀的，而課堂實驗需要研磨成粉末并充分混合，兩者接觸面積不同。

（2） 根據②和③初步結論：古代火法煉銅所使用的原料是煤炭、銅礦石（以氧化銅計）、碳酸鉀。

（3） 根據①進行問題引導：什么樣的化學實驗室儀器能夠盡可能模擬豎爐法煉銅的裝置？此處可以給出一些常見的化學實驗儀器供學生對比參考，如蒸發皿、燒杯、坩堝等。從裝置復原圖的相似性出發，學生會選擇坩堝作為實驗容器。

（4） 根據④進行問題引導：礦石是塊狀的，肯定有礦石內部的氧化銅接觸不到炭。實驗室的原料是粉末狀的，在模擬實驗中如何體現一部分氧化銅與炭粉接觸，還有一部分氧化銅不與炭粉接觸？學生可能會想到要將一部分氧化銅與炭粉分開的設計，經過教師參與改進，最終呈現圖2的實驗裝置。利用一個石英方舟分隔出一部分氧化銅，模擬礦石內部的以及沒有與炭充分接觸的氧化銅。

（5） 為了使氧化銅能被充分還原，學生根據書寫的炭與氧化銅的化學方程式，計算得到炭與氧化銅的質量比為12∶160，即1∶13.3。根據這個質量比在坩堝中投入原料，用酒精噴燈或本生燈進行灼燒，進行第一次實驗（在實驗前需要做好安全教育，以防燙傷）。煅燒過程中可能有少量有害氣體逸出，需要做好教室通風，甚至可在有通風設備的實驗室中進行。實驗過程中有少量的黃煙產生，大約三分鐘后停止煅燒，學生可藉透明的石英坩堝觀察到坩堝底部的固體有少量變紅，而石英方舟上的氧化銅沒有變紅。

2.3 通過改進，設計對比實驗

第一次實驗的結果說明反應沒能充分進行，石英坩堝底部的氧化銅只有部分被還原，使學生產生疑問，并萌發繼續探究的興趣。

（1） 從文獻“用炭八九千斤（古代1斤是600g，取4800kg），不過得銅五六百斤（取320kg）”。數據的給予不脫離事實，又最大程度方便學生計算。利用銅元素守恒的思想，學生進行計算所使用的炭與氧化銅的質量比為12∶1，其物質的量之比遠大于理論值。

（2） 根據計算結果，引導學生思考：多余的炭的作用是什么？學生猜想碳與二氧化碳反應生成一氧化碳，一氧化碳也參與還原氧化銅。

（3） 繼續追問，若坩堝中剩余的只有一氧化碳，所需要的原料的質量比是多少？利用幾個化學方程式進行計算，學生計算得到參加反應的炭和氧化銅的質量比為1∶6.7，即物質的量之比為1∶1。

（4） 學生設計對比實驗，通過成倍提高煤炭的用量（質量比1∶6.7），其他條件均不變。通過第二次分組實驗，學生仔細觀察坩堝中的變化，記錄實驗現象。發現實驗過程中產生大量的黃煙，大約三分鐘后停止煅燒，學生觀察到，不僅坩堝底部的固體幾乎全部變紅，而且石英方舟上的氧化銅也全部變紅。與第一次實驗的現象形成了鮮明的對照。

2.4 推理和總結實驗原理，建構知識網絡

（1） 結合兩次實驗的現象，說明有氣體參與了銅的冶煉，過量的碳在容器中發生各種化學反應產生以一氧化碳為主的還原性氣體，一定濃度的還原氣氛還原了沒有與炭接觸的氧化銅［6］。一氧化碳是由過量的碳與二氧化碳反應產生，或由碳的不完全燃燒生成。

（2） 進一步分析為何實際煉銅過程需要這么多的炭，結合實驗過程需要高溫煅燒以及復原裝置中需要鼓風的事實，學生分析得知過程中還發生了碳與氧氣的燃燒反應產生大量的熱，以提供反應進行所需的能量。

（3） 由實驗現象中的大量黃煙，引出煤干餾的新知識，可進行后續“化學燃料”的教學。

（4） 通過對實驗的分析，梳理了“碳和碳的氧化物”的各種知識，形成了知識網絡結構，體會到復雜工藝流程中化學的深度參與，有效提升了化學學科核心素養。還能通過知識的遷移和延伸進一步講解高爐煉鐵、化石燃料等有關內容。

3 實驗效果評價

3.1 與傳統的木炭還原氧化銅相比，具有更高的成功率

眾所周知，木炭還原氧化銅是一個初中階段較難做成功的演示實驗，完成后除石灰水變渾濁現象比較明顯外，黑色固體變紅現象受到很多因素的影響［7～9］。本改進實驗只要求煤炭粉過量即可，沒有嚴格的配比、混合方式等要求。實驗操作比較簡單，也便于學生觀察。第二次實驗坩堝中可明顯地得到光亮的銅塊而不是大多數實驗中得到的紅褐色銅粉，大大提升了學生對于銅的物理性質的有效認知。

3.2 提供了改進實驗的新思路，具有一定的可遷移性

如果將此實驗置于“碳的化學性質”的新授課中，可以作以下改變，使課堂更簡便高效：（1）改用木炭，看不到黃煙，也能觀察到固體紅熱，黑色固體變紅；（2）去掉方舟中氧化銅的對比試驗，不處理其中的還原氣氛，只完成炭還原氧化銅的反應實驗；（3）從課本上的實驗裝置改變為真實的仿古煉銅裝置，保留學生自己動手實驗的可能性，也能通過實驗達到發展科學思維的目的。

3.3 包含多個化學反應，具有更強的綜合性

學生在實驗過程中，可以看到炭還原氧化銅、一氧化碳還原氧化銅以及煤的干餾等多個實驗，同時蘊含對比思想，提升科學思維，讓學生能夠在真實情境中綜合運用知識來解決問題。實驗后總結所出現的化學方程式，可以發現除二氧化碳的制取、一氧化碳的燃燒外，第四單元的化學反應均有涉及，形成了知識結構的網絡化。

3.4 實驗過程中的一個思考

在探索各種影響因素的過程中發現，使用高純度碳粉（石墨）是沒有任何反應現象的。既不能還原氧化銅，也不能形成還原氣氛。這樣的現象與石墨的穩定性不無關系。不少教材對此處理模棱兩可，學生實驗時也非常困惑：為何石墨坩堝不會與空氣發生反應？很純的物質反而缺少反應活性，比如含有雜質的鋅與硫酸反應的速度會加快，或者通過摻雜可改變某物質的化學性能等，這是化學材料研發的重要思想，說明在核心素養的培養過程中略微施加一些影響，可使化學內涵更加豐富。

4 教學反思

從銅的冶煉這一主題出發，可以統整其他知識，形成單元學習，以求充分落實核心素養。第一課時復習“碳和碳的氧化物”有關知識。第二課時探究碳酸鉀在實驗中的催化作用。第三課時對比火法煉銅和濕法煉銅，復習金屬的性質，通過比較法探討兩種煉銅方法的差異。先梳理金屬的物理性質和化學性質，特別是對濕法煉銅所得溶液的進一步處理，形成完整的流程知識；然后，可以通過跨地理學科，展示中國銅礦分布、煤礦分布（生產煤炭）、含礬物質分布（生產硫酸）的簡圖，利用綜合知識解決哪些地方適合用火法煉銅、哪些地方適合用濕法煉銅。第四課時可以繼續由火法煉銅的情境出發，發現火法煉銅殘留的氣體中可能含有一氧化碳、氫氣和二氧化碳；同時在礦石中通常含有結晶水或由于堿式碳酸銅分解，還會有水蒸氣等氣體，可在這個真實情境中探究如何運用各種氣體性質進行氣體的檢驗。

古語有云：“天地為爐，造化為工；陰陽為炭，萬物為銅。”也就是說，通過提供一個真實的情境，也就是“爐”；精心設計的學生實踐活動，也就是“工”；思維活動就像是“炭”；將它們互相融合，最終得到有價值的“銅”。

參考文獻：

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