活性炭还原氧化铜实验条件探究

刘林青+丁伟

摘要：木炭还原氧化铜是中学化学教学的一个重要演示实验，针对该实验的成功率较低等不足进行了实验探究。发现炭粉材质的选择、炭粉和氧化铜的质量比、反应物的状态都会对实验效果产生影响。通过三组对照实验，证明了该实验最佳条件是：炭粉和氧化铜质量比为1：7～1：8；混合研磨时间为10min；烘炒最佳时机是活性炭粉呈红晕状；采用化学纯木炭粉和氧化铜粉作反应原料。

关键词：活性炭；还原；氧化铜；实验条件优化；化学实验探究

文章编号：1005–6629（2015）7–0056–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题提出

1.1 问题背景

炭粉还原氧化铜是义务教育阶段九年级上册《化学》[1]课本中的一个重要的演示实验。该实验的目的是向学生说明：单质的碳也像氢气一样，具有还原性，在较高的温度下它能夺取某些氧化物里的氧，使其发生还原反应[2]。该实验成功的指标表现在四个方面：（1）实验开始1～2分钟出现明显现象；（2）大量二氧化碳喷涌而出，澄清石灰水变浑浊；（3）反应进行中反应物呈现红热熔岩状态；（4）反应产物中有金属光泽的铜粒生成。可是该实验演示成功率一直很低，很少出现以上实验指标。

1.2 影响因素

查阅相关资料发现，炭粉还原氧化铜实验对反应物的质量比、反应物的状态有较高的要求，通常反应过程中还伴有砖红色粉末氧化亚铜的生成[3～5]。本探究实验对炭粉和氧化铜的质量比例和反应物的状态进行了研究，对实验产物作观察、鉴定，探究出了活性炭还原氧化铜的最佳条件。

2 实验过程

2.1 实验材料

药品：木炭粉（CP）、氧化铜粉（CP）、澄清石灰水、稀硫酸

仪器：托盘天平、铁架台、铁圈、铁夹、试管（18mm×180mm）、橡胶塞、导气管、烧杯、研钵、蒸发皿、玻璃棒

2.2 实验原理和装置

2.2.1 实验原理

2.3 实验步骤

（1）按图1所示装置图从下到上搭好装置。

（2）按上述实验设计方案中质量配比称取活性木炭粉和氧化铜粉末。分别放入研钵中反复研磨5分钟。

（3）分别将活性木炭粉和氧化铜在蒸发皿中烘炒（图2），活性木炭粉烘炒至呈红晕熔岩状，停止加热。烘炒氧化铜粉末5分钟，停止加热，待自然冷却后充分混合。

（4）检验实验装置气密性。把充分冷却的反应混合物粉末用纸槽送至试管底端，塞紧橡皮塞，导气管伸入盛有澄清石灰水的试管中。

（5）用酒精灯预热试管，然后集中加热试管底部活性炭和氧化铜粉末，观察记录试管中反应物和澄清石灰水的变化情况。

（6）待试管中反应物呈红热熔岩状态或澄清石灰水中气泡排出速率小于1个/5秒，结束反应，先拆除导气管，再停止加热。

（7）反应物充分冷却后，把混合物倒出，观察记录生成物颜色状态。

2.4 对照实验及现象

2.4.1 不同质量比活性炭和氧化铜

根据炭粉还原氧化铜的方程式，计算出活性炭和氧化铜质量之比为1：13.3。按照该比例恰好完全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。但是在烘炒过程中炭粉有损耗，且反应中试管里的氧气会消耗一部分活性炭粉。所以实际操作中炭粉比例应当增加。本实验按不同的质量比来进行试验，探究出在酒精灯加热下的最佳的质量比。实验按照炭粉与氧化铜质量比为1：6、1：7、1：8、1：9、1：10、1：11、1：12、1：13设计八组对照试验。得出活性炭粉和氧化铜实验用料的最佳质量比。实验结果如表1。

2.4.2 活性炭和氧化铜的研磨程度

研磨可以增大反应物的比表面积，实验设计在质量比为1：8的条件下，分别做对氧化铜和炭粉混合研磨时间的三组对照试验。研磨时间分别为0分钟、5分钟、10分钟。实验结果如表2。

2.4.3 活性炭和氧化铜的性状

活性炭粉和氧化铜粉由于长期放置会引起部分变质，称量和研磨反应物时还会吸收空气中的水分和杂质，导致反应物不纯，烘炒可以除去水分等杂质，提高反应物活性。本实验将烘干氧化铜5分钟、烘干活性炭至呈红晕熔岩状为自变量，设计两组对照试验。实验结果如表3。

3 实验结果

3.1 不同质量比活性炭和氧化铜的实验结果

在质量比为1：6～1：13的八组对照实验中，我们发现当反应物中活性炭过量时，反应产物中有黑色固体存在，此黑色固体为活性炭粉；当反应物中氧化铜过量时，产物中会出现砖红色粉末，此为副反应产生的氧化亚铜[6]。当反应物质量比为1：7～1：8时，反应产生了多量的金属光泽的球状固体，得到了我们需要的金属单质铜。

3.2 不同研磨程度活性炭和氧化铜的实验结果

当选择不同研磨程度的反应物时，反应产物出现了明显区别。当不研磨的时候，反应产物是砖红色固体和黑色粉末，说明反应产物中有过量炭粉和氧化亚铜。随着研磨时间的增加，反应产物中金属光泽红色固体产率明显增加，表明研磨后的反应物有更好的活性，有利于产物铜的生成。

3.3 不同性状活性炭和氧化铜的反应结果

实验发现，通过烘炒5分钟的反应物可以反应产生红色金属光泽的小颗粒，也就是我们需要的产物金属铜，而没有烘炒的反应物在实验中无明显现象。

4 实验结论

通过以上三组对照试验，可以得出以下结论：活性炭还原氧化铜在酒精灯加热的条件下反应生成铜和二氧化碳，反应过程中有氧化亚铜的生成。活性炭和氧化铜的充分研磨可以增大反应物的比表面积，使反应物充分接触，促进反应的进行。反应前活性炭和氧化铜的烘炒可以除去反应物中的水等杂质，增强活性炭的活性，以促进反应的进行。

综上，在活性炭粉还原氧化铜的实验中，最佳条件是用质量比为1：7～1：8的充分研磨的活性炭粉和氧化铜粉末；烘炒氧化铜粉末至干燥，烘炒活性炭粉至红晕状。

参考文献：

[1]课程教材研究所，化学课程教材研究中心编著.义务教育阶段课程标准实验教科书·化学（九年级）（上册）[M].北京：人民教育出版社：2011.

[2]范丽琼.“木炭还原氧化铜”实验的探究[J].中学化学教学参考，2004，（4）：50.

[3]周柏洲，李广萍.木炭还原氧化铜最佳方案探讨[J].化学教学，1995，3（7）：6.

[4]陈克原，金东.也谈成功率高的木炭还原氧化铜[J].化学教学，1999，2（3）：10.

[5]董耀华.碳还原氧化铜的实验探讨与改进[J].教学仪器与实验，2000，4（11）：7.

[6]张翼，黎国兰.碳还原氧化铜实验条件优化探究[J].锦阳师范学报，2008，27（8）：58～61.