碳还原氧化铜产物的再探究

杨道华　李清

摘要：“木炭还原氧化铜”是人教版化学上册第六单元教材中的一个演示实验，按照教材中的操作反应时间过长，实验现象不明显。而改用小试管和家用喷火枪之后，微小精悍，屡试屡验。

关键词：实验改进小试管喷火枪

“木炭还原氧化铜”是人教版九年级化学教材上册第111页中的一个重要的演示实验，这个实验许多教师演示时很难做出明显的效果。笔者在《中学化学教学参考》2010年第1、2期发表的《碳还原氧化铜产物的探究》中曾经对反应的药品及配比做过重点探究，达到较好的效果，但很多教师在此方法的尝试中效果往往不尽如人意。因此，笔者和同事开始了进一步的探究，重点在仪器和装置的探究上。笔者查阅了相关文献，对实验进行了大胆的改进和探究，摸索出几种效果明显、操作简单的实验方法。改进后的实验，操作简便、节约药品、绿色环保、实验现象明显。

一、教材中实验的不足之处

教材中的实验存在三处不足之处。

1.对药品自身质量和配比要求严格。用普通的木炭粉或活性炭粉等做实验，实验现象不够明显。即使采用分析纯木炭与氧化铜按照合适的质量配比达到明显的实验效果，但存放一段时间后，有经常达不到刚配比时的效果的情况，导致实验现象不明显。

2.实验准备烦琐，携带不便。需要准备铁架台、试管、单孔胶塞和导气管、小烧杯、酒精灯、氧化铜、木炭粉和石灰水，实验仪器与药品的准备比较麻烦。

3.实验持续时间长，实验现象不明显。用酒精灯加热的热效太低，持续数分钟都很难出现实验现象。即使偶然出现黑色粉末变红的现象，待到冷却以后，倒出来的固体也很难是红色的粉末，仍旧是黑色的粉末。最终导致实验失败，教师于是草草结束实验。

正因为以上原因，教师们教学此内容的时候，基本上放弃了演示实验的环节，改成了枯燥保守的理论说教，或者直接用播放视频来代替，错过了师生在真正实验教学中共同学习的时机。

二、问题的提出

实验持续时间过长和实验现象不明显的主要原因是什么呢？我们展开了猜想和分析。

1.温度过低。相关论文研究发现出现红色的铜是因为生成熔融状态的铜的颗粒，但温度过低也可能产生CuO，而出现熔融的物质要求此实验的温度应该在600 ℃以上，酒精灯外焰加热的温度应该较低，远远低于600 ℃。所以常规实验现象不明显，且可能产生CuO。

2.“封闭”体系不好。原装置貌似封闭，实则装置内残留的空气始终无法排除，滞留在装置中，只是暂时被产生的CO向下驱赶至试管口，待到温度降下来之后，CO密度会变大，CO下沉，空气会上浮，空气中的氧气会与红热的铜反应生成氧化铜，红色的粉末会再次变黑。

三、实验的验证

（一）酒精灯加热时候，试管中的温度

碳还原氧化铜的实验，热力学不需要很高的温度，但由于动力学的缘故，固固反应的复杂性，木炭还原氧化铜需要的温度在600 ℃以上。

根据《实验教学与仪器》中的一篇关于酒精灯火焰温度的介绍，再综合考虑酒精灯灯芯的粗细长短、加热时间，所选的火焰的位置等因素，酒精灯火焰的理想温度尚且很低（一般不到600 ℃），受热物质的实际温度高于400 ℃的可能性不大。

另外，考虑试管熔化的温度，即玻璃的软化点是519 ℃，书中的实验说明用酒精灯加热的方法，真正做起书上的实验，试管都没有软化，木炭还原氧化铜温度就不可能达到600 ℃。

实际上，加热大约1分钟后，用红外探测仪测得试管内温度是369 ℃。

四、实验的改进

（一）改进热源和反应容器

1.为了解决加热源的问题，我们采用了市场出售的CAMPINGMOON多功能家用喷火枪（MT2915型），其温度可以调节到1300 ℃，电子打火，操作方便。

2.“封闭”体系问题的解决：取一根普通的导气管，用家用喷火枪把导气管从中间烧化，封闭细口径玻璃管的一端，做成两个细口径小试管待用。

（二）实验器材

1.实验仪器：家用喷火枪一个;上述自做的小试管1支;试管夹一个;药匙一个。

2.实验药品：按照配比1∶13（最好木炭偏多一点，目的是使氧化铜完全反应）混合木炭和氧化铜粉末。

（三）实验步骤

1.装药：把混合后的药品，用药匙小的一端，略取少许，加入自制的小试管。

2.固定：用试管夹夹住小试管的中上部。

3.点火：打开电子喷枪。

4.加热：先来回移动，充分预热，然后固定加热。

5.观察：观察实验时的现象;观察试管冷却后的现象。

五、实验与分析

（一）采取竖直加热的方式，火焰集中，药品受热充分，温度提升快（实测温度超过800 ℃），加热20秒，就能观察到实验现象，所用时间比原实验方案明显缩短，实验现象十分明显。

（二）所用药品的质量和配比要求，不必那么嚴苛，而且采取微型实验，节约了药品。所用的木炭粉，无论什么样的质量，甚至纸屑燃烧的灰烬、活性炭的粉末都行;配比的要求也不必那么严格;微型实验所用的药品较少，节约了药品。

（三）加热源的改进，取材来自市场，取材广泛，方便操作且易控制高温，安全可靠。

（四）形成的体系，气体不容易对流，相对稳定。因为内径很小，所以产生的CO2不易和空气形成对流，而且很容易把空气赶出小试管外，这样，就形成了相对封闭的无氧环境，可以有效防止高温下的铜粉再次被氧化成黑色的氧化铜。

（五）节约器材。该实验中，由于生成的铜粉是微小的熔融的颗粒状，会镶嵌在小试管的内壁里，做完实验的试管等于报废，而改用导气管做成的小试管，因为是用废掉的导气管做的，所以做到了节约器材。

（六）实验产物验证为铜

为了防止生成物是CuO，可以向生成物中加入稀硫酸，根据CuO+HSO₄CuSO+Cu+HO，不见溶液变蓝，说明实验是成功的。

六、总结和反思

经过以上研究分析，总结反思如下。

（一）此法对氧化铜的质量要求较低，对木炭粉的要求不严。木炭粉只要为粉末状即可，不必为180目以上，甚至烧过的灰烬或碾碎的活性炭，都是很好的药品。

（二）木炭与氧化铜的配比为1∶13或略大些为好。

（三）热源为电子喷枪，温度易调节，且操作方便。

（四）不必烘干药品，只需要操作时先预热好，把冷凝水烘出玻璃管或赶到玻璃管的上端（因为所用药品少，冷凝水不会多，所以挂在内壁上，不会流下来）即可。

（五）采取一段封闭的玻璃管，产生的CO不会与空气形成对流，形成了没有氧气的封闭的环境。

参考文献：

[1]蒯世定，杨道华.碳还原氧化铜产物的探究[J].中学化学教学参考，2010（12）：4950.

[2]郝金声，余跃东，周进康.木炭还原氧化铜最佳实验条件研究[J].中学化学教学参考，2005（5）：3739.

[3]郑春燕，粟智.碳还原氧化铜实验探究[J].山东化工，2019（48）：192.

[4]凌一洲.基于DIS高温传感器探究酒精灯火焰的温度[J].实验教学与仪器，2015（5）：6365.

责任编辑：唐丹丹