碳还原氧化铜实验的研究

    蒯世定1    杨道华 2

1合肥市教育局教研室    安徽合肥  230001   2合肥五十五中  安徽合肥  230011 

   中学化学教学参考 2010 -1 2--49 50

 木炭还原氧化铜在初中阶段是一个很重要的实验。学生是从这个实验开始接触氧化还原反应，为九年级化学下册金属的冶炼等知识做了一个铺垫，该实验在整个化学学习中是一个很重要的实验。我们通过一系列科学探究，摸索出几种效果明显、操作简单的实验方法，现介绍如下

1、实验探究

1、1  实验探究1

用干冷的坩埚罩在蜡烛火焰上方收集新制的炭黑或收集市场上大排档锅底黑灰或树枝不xx燃烧的烟炱来尝试与氧化铜粉末反应。该实验的还原效果不太明显，难以使炭黑与氧化铜充分接触，有待进一步研究改进。

实验反思：虽然这个实验效果不理想，但学生从中能真切感受到含碳物质不xx燃烧生成炭黑等物质的过程，有助于学生对日常生活中使用含碳燃料充分燃烧重大现实意义的理解（见课本第六单元二氧化碳与温室效应的关系和第七单元化石燃料的利与弊）。在实验探究方面了解用炭黑还原氧化铜的不足之处和探究经验，筛除此种方法。

1、2  实验探究2

选用不同规格的铅笔芯（1B--6B）来尝试与氧化铜粉末反应。该实验的还原效果比较明显，特别是铅笔芯越粗、石墨含量越大效果（6B铅笔芯），实验效果越明显。

实验反思：学生从含石墨的量不同的铅笔芯进行实验，比较实验效果，从中体验到科学探究的成功与失败的价值，有助于学生对将来的科学研究积累一定的经验。特别是从石墨含量多少影响还原氧化铜效果，体验到科学定量研究方法的价值。建议使用6B铅笔芯来还原氧化铜，但需进一步研究铅笔芯与氧化铜的质量比对还原效果的影响。

 
1、3  实验探究3

选用蜡烛、石蜡或沥青等有机物来和氧化铜粉末反应。该实验的效果非常明显，特别是石蜡效果很明显，瞬间反应结束。

实验反思：虽然该方法不是碳单质还原氧化铜，而且产生大量烟雾、碳氢化合物等，需要对这些副产物的干扰影响进行排除。但老师恰恰可以由此启发学生从中认识工业生产中环境保护的重要性，同时真实体验到火灾现场浓烟滚滚的场景，增强环保意识。建议使用石蜡来还原氧化铜（仍需进一步研究反应产物的成分），筛除沥青来还原氧化铜的反应（沥青成分复杂且污染太大，不易控制反应程度）。

1、4  实验探究4

选用铜绿分解生成的新制氧化铜来和上述含碳物质（木炭粉、石墨、石蜡）来反应。选用铜绿分解生成的新制氧化铜分别和木炭粉、石墨、石蜡反应还原氧化铜，条件简单，反应效果明显。

实验反思：改进实验让学生深刻理解，由铜绿新制出的氧化铜进行反应，活性大，同时粉末较细，反应物之间接触面积大、反应充分，反应的速率大，实验效果明显。特别是石蜡一遇到加热的新制氧化铜，瞬间就生成红色的铜，让学生体验科学探究的喜悦。也可以选择铜绿和石蜡反应还原氧化铜。

2、实验小结

1、1   理想实验1

   ⑴ 实验步骤

①把木炭放在研钵里，研磨成极细的粉末。按1：12的质量比称取木炭和氧化铜，放在研钵里搅拌、研磨，使两者充分研细混匀。

② 取干燥的小试管，在试管里放约2g上述混合物， 用带有 防风灯罩的酒精灯先均匀加热，然后集中加热反应物。

   ③ 随着反应的进行，澄清的石灰水变浑浊，说明生成了二氧化碳。

   ④ 2-3 min后，反应物混合物开始发红。这时立即移去酒精灯，利用反应自身放出的放热量加热，约几秒钟内很快蔓延到管内所有反应物，发出红热现象，反应剧烈进行。

   ⑤ 反应停止后，立即夹紧弹簧夹，生成的铜在二氧化碳气氛中逐渐冷却到室温时，看见试管内的固体显红色。

   ⑵交流讨论：

①碳与氧化铜的质量比。用于还原氧化铜的碳粉通常有木炭、炭黑、活性炭、石墨四种，经过许多老师的研究和我们的实验证实，其还原效果从木炭到石墨依次降低。因为木炭粉含杂质量较多，特别是部分杂质能够xx了碳的化学活性。因此，还原氧化铜通常采用新制的木炭粉，效果{zh0}。
　　碳还原氧化铜从理论上质量比例应该是,当C︰CuO = 1︰13.26时，恰好xx反应生成铜和二氧化碳。如果氧化铜过量，则易生成氧化亚铜。我们通过实验认为：用干燥的新制木炭粉和氧化铜粉，其比例在1︰10、1︰11、1：12、1:13时，都能取得良好的效果。

②　充分混合研磨。按照干燥的新制木炭粉和氧化铜粉质量比1︰12比例称量好后，放在研钵里反复研磨，让固体混合物混合均匀，研磨成细细的粉末，放在试剂瓶里备用（要密封好）。

③用高温酒精灯加热。实验时取木炭粉和氧化铜的混合物1-2药匙，放在小试管里，组装好装置（如图1所示，试管口向上），用高温酒精灯加热。实验室里普通燃烧酒精的浓度比较低，含水量比较高，使普通酒精灯的温度不高，向其中加入适量的95%的酒精，再在酒精灯上加入酒精灯防风罩，则温度可以达到700--850℃。这样大大提高了酒精灯的温度，达到了较高的温度，可以把这样的酒精灯称为高温酒精灯。

3、2   理想实验2

（1）实验步骤

①把6B铅笔芯放在研钵里，研磨成极细的粉末。按1：10的质量比称取铅笔芯和氧化铜，放在研钵里充分搅拌混合，再研磨，使两者充分研细混匀。

②取干燥的小试管，在试管里加入约2g上述混合物， 用高温酒精灯先均匀加热（如图1所示，试管口向上），然后集中加热反应物。

③随着反应的进行，澄清的石灰水变浑浊，说明生成了二氧化碳。

④一会后，试管底的反应物产生红热现象，并迅速反应产生红色的固体。

（2）交流讨论：

①铅笔芯的选择：通过收集生活中的不同规格的铅笔芯（1-6B铅笔），取等质量的研碎后的铅笔芯与氧化铜进行不同质量比的混合物进行实验探究，得出选用6B的铅笔芯效果{zh0}。

②6B的铅笔芯与氧化铜混合质量比的选择：通过探究1：8、1︰9、1︰10、1︰11、1：12质量比的对比探究，得出1：10质量比混合加热效果{zh0}。5B的铅笔芯与氧化铜混合质量比{zh0}控制在1：11左右还原效果明显。

3、3  拓展实验  氧化铜和石蜡的反应

⑴ 实验步骤

按图2连接实验装置。在试管Ⅰ里加入约1．5g（约1药匙）粉末状的氧化铜粉末。用高温酒精灯加热试管。 1-2 min后，向加热后的氧化铜粉末上面放入约1 g石蜡（可以用蜡烛的蜡代替，约蚕豆大小）。用高温酒精灯加热试管。  石蜡熔化，立即产生大量的白雾，有气体混合物产生，可观察到试管Ⅱ 里高锰酸钾酸性溶液的颜色慢慢变浅，并逐渐褪色。如果将试管Ⅱ里的溶液换成为澄清的石灰水，石灰水不变浑浊。同时，原来黑色的氧化铜粉末，部分变为浅红色。

⑵交流讨论

① 实验原理探究：石蜡是含C₂₀～C₃₀的固态高级烷烃的混合物。重油、石蜡等相对分子质量较大的烃分子在一定条件下，催化裂化而转变为相对分子质量较小的烃。如：

C₁₆H₃₄    C₈H₁₈ + C₈H₁₆

十六烷         辛烷    辛烯

这样就生成了相对分子质量比较小、沸点比较低的类似汽油的饱和烃和不饱和烃的液态混合物。有些裂化产物还会继续分解，生成饱和的和不饱和的气态烃。如辛烷分解成丁烷和丁烯，丁烷还可分解成甲烷、丙烯、乙烷、乙烯等，其产物可用酸性高锰酸钾溶液检验。

用氧化铜作为催化剂，石蜡分解的产物还与氧化铜发生氧化还原反应，使原来黑色的氧化铜部分变为浅红色，产生了铜和氧化亚铜等。