木炭还原氧化铜实验的研究与新设计

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]，
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) 0.0 0.0 5.7
CO2(g) -393.5 -394.4 213.8
Cu(cr) 0.0 0.0 33.2
CuO(cr) -157.3 -129.7 42.6
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）
ΔGθ ΔHθ ΔSθ
-135.0 kJ•moL-1 -78.9kJ•moL-1 191.3 J•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，排列成辣角平面网状结构，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/℃ ＞3550 3652-3697（升华） 1326
无机物的泰曼温度约为0.5Tm[4],熔点较低者为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
炭粉种类 A B C D
方法1：薄铜片（打小孔逸散CO2）包裹灼烧 1ˊ10〞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，无红热现象。 2ˊ30〞石灰水浑浊，4ˊ30〞气泡减少，8ˊ20〞气泡几乎停止。部分药品变红。无红热现象。 2ˊ30〞石灰水浑浊，5ˊ30〞气泡减少，8ˊ40〞气泡几乎停止。部分药品变红。无红热现象。 5ˊ10〞石灰水浑浊，7ˊ气泡减少，9ˊ气泡几乎停止。部分变红极少。无红热现象。
方法3： 18×180mm试管，灯焰加网罩加热（酒精灯不移动） 1ˊ40〞石灰水浑浊，2ˊ20〞部分药品红热燃烧，部分蔓延，3ˊ50〞气泡减少，4ˊ30气泡几乎停止。 1ˊ55〞石灰水浑浊，2ˊ35〞部分药品红热燃烧，未蔓延，4ˊ10〞气泡减少，气泡减少，4ˊ50〞气泡几乎停止。 1ˊ50〞石灰水浑浊，2ˊ30〞部分药品红热燃烧，未蔓延，4ˊ15〞气泡减少，5ˊ10〞气泡几乎停止。 3ˊ10〞石灰水浑浊，5ˊ40〞气泡减少，8ˊ30〞气泡几乎停止。药品部分变红。无红热现象。
说明：1. 反应物颗粒大小，混合均匀程度，干湿程度基本一致，使用同一燃烧良好的酒精灯；现象目视观察，时间手动秒表测定。环境温度为24℃；方法1中CO2用集气瓶收集。
2. 若混合物用水调为泥状包裹灼烧，时间延长2min -4 min，冷却后紫红色铜块效果更好。烘干灼烧，时间与粉末灼烧相近，效果也极好。
3. 用碱式碳酸铜加热分解的CuO重复试验，所用时间和现象与上表相近。
4. 实验进行三次，相隔7天。方法1三次实验差异小，方法2、方法3三次试验差异大，其中一次用方法3未能明显红热。表中为效果最好的一次实验现象。
5.不同厂家的酒精灯燃烧温度有差异，用不同厂家酒精灯加热试管实验，燃烧较差者加网罩也难使药品红热燃烧。
结论：
（1）实验室常备的炭（木炭、活性炭）和CuO在酒精灯温度下直接灼烧能够红热燃烧使其显著反应达理想效果，与理论探讨吻合，刻意寻求其他药品价值不大。
（2）用试管加热不加网罩，极难使反应红热燃烧。
（3）用试管加热加网罩并控制好其他条件，一般能使反应红热，但稍有意外（如酒精灯燃烧较差），难以保毕业论文http://www.751com.cn/  论文网http://www.751com.cn/
度比较
焰层 焰心 内焰 外焰 整体灯焰（算术平均值）
灯焰平均温度/℃ 698 883 767 783
试管受热温度/℃ 558 626 582 589
试管受热温度与泰曼温度差/℃ +31 +99 +55 +62
注：1.温度差为“试管受热温度/℃－527℃”，按加网罩提高100℃计算。
2.若利用华南师大钱杨义等提供的一组数据 [ 6]，灯焰平均温度为，焰心：432.3/℃；内焰：665.5/℃；外焰：519.9/℃，仍按王克勤加网罩提高100℃，试管温度降低约140℃-260℃估算，所获得的试管受热平均温度数据低于泰曼温度。
数据提供一个重要信息：（1）不加网罩试管加热，即使用温度最高的内焰加热，也很难使这一反应显著发生(低于泰曼温度)。（2）加网罩试管加热，以平均温度计算，温度在反应显著的下限附近，按最高的内焰温度计算，反应能剧烈进行的温度也无显著优势，并受酒精灯自身燃烧状况，试管大小等多方面因素影响。（3）直接灼烧，无论是否加网罩，因避开了试管受热约140℃-260℃温度降低，药品受热温度显著高于泰曼温度使反应显著。
反应混合物质量比，反应物颗粒大小和混合程度等对实验有显著影响，但可控制。
4.实验新设计
笔者认为，为保证此反应用酒精灯加热显著进行，为何不可越过“试管加热”这雷池一步而另辟蹊径？将木炭和CuO的混合物直接灼烧是可行的思路。
这里需解决两个问题：（1）混合物灼烧如何隔绝体系外空气及酒精蒸气；（2）如何简便检验反应产物CO2和观察还原出的铜。简单操作可达这一目的：将反应引发与产物检验与观察分离为3个连续过程:（1）金属包裹灼烧引发反应，观察红热现象；（2）利用反应引发后从火焰移开到反应结束持续红热的时间间隔收集CO2用石灰水检验。（3）观察还原出的铜。
准备：
实验室常备仪器：薄铜片(大小能包裹所需药品, 周边打若干针孔般小孔用作视窗和CO2逸出)，石棉网、酒精灯、集气瓶、坩埚钳。
实验室常备药品：木炭（活性炭）、氧化铜、澄清石灰水。
取木炭（活性炭）和CuO按质量比1：10到1 : 11（刘怀乐老师推荐1：10.6），充分研磨混合均匀，取一定量混合物用铜片包裹成药品包。
步骤：
（1）将药品包用坩埚钳夹持在酒精灯焰灼烧，当反应启动，药品包通体发红并小孔视窗发出红光时放石棉网上。
（2）将集气瓶倒扣药品包，药品持续红热。当药品包视窗红光变暗，取下集气瓶注入石灰水振荡，观察石灰水浑浊。
（3）冷却后打开药品包，观察紫红色铜块。
全部实验约3min-5min完成，一气呵成，三个效果鲜明。
特点：
（1）反应发生后铜片内部压强大于环境压强，可有效隔绝空气，小孔视窗有利于CO2逸出，反应引发后易观察红热现象。
（2）倒扣集气瓶反应持续红热生成CO2聚集集气瓶底部（上方），是利用热CO2上升原理，集气瓶中压强变化不大，不会对反应造成明显影响。
（3）实验具科学性，简约、安全、快速、现象鲜明，不需对药品、热源特殊要求。作为演示和学生实验成功率极高。
参考文献
[1] 刘怀乐.中学化学教学实证与求索[M].重庆：西南师范大学出版社.2002：12.
[2] 华彤文,陈景祖等. 普通化学原理（第三版）[M]. 北京：北京大学出版社.2005： 478-479.
[3]中学化学教师手册编委会.中学化学教师手册[M]. 北京：科学普及出版社.1981： 103-128.
[4] 陈慧兰.高等无机化学（M）.北京：高等教育出版社.2005：360-361.
[5] 王克勤，逯俊玲,左志军.酒精灯加热温度的测定研究[J].化学教学， 2003，（11）：42-43.
[6] 钱杨义，陈国泉. 酒精灯火焰温度是外焰“最高”吗[J].化学教育， 2006，（7）：52.1283