应用气体传感器探究木炭还原氧化铜的气体产物

张玉珍

摘要： 设计W形管实验装置和数字化实验两组方案，分别从定性和定量角度探究“木炭还原氧化铜”反应的气体产物成分及其与反应物量的关系。通过实验证明木炭还原氧化铜的气体产物既有二氧化碳又有一氧化碳。运用无线二氧化碳传感器和一氧化碳传感器验证该反应的主要气体产物为二氧化碳，通过增加反应物氧化铜的量可以减少一氧化碳产生的量。

关键词： 木炭还原氧化铜; 无线数字传感器; 实验探究; W形管

文章编号： 10056629（2021）07006505

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

“木炭还原氧化铜”实验是九年级化学教学中的重要演示实验。学生在学习本实验前已经学习了质量守恒定律，能够根据质量守恒定律猜测该反应的气体产物可能有三种情况： （1）只有一氧化碳;（2）只有二氧化碳;（3）既有一氧化碳又有二氧化碳。传统教学中，教师多从化学方程式配平角度引导学生从理论上得出，当氧化铜与木炭的物质的量之比为2∶1时发生如下反应： 2CuO+C高温2Cu+CO2↑。

近年来，设计实验探究木炭还原氧化铜气体产物的成分已成热点，但在教学中教师对于生成一氧化碳的问题往往并未做过多介绍，且教材装置也只强调二氧化碳的检验（见图1），所以学生难以理解为什么会有一氧化碳产生、为什么大试管中固体减少的质量与澄清石灰水中增加的质量不一定相等。这部分知识往往成为学生遗留的难点。

因此，笔者尝试在教材实验基础上，分别利用W形管和气体传感器组合设计不同的实验方案，进一步探究“木炭还原氧化铜”气体产物成分及其与反应物量的关系。

2 W形管探究木炭与氧化铜反应的气体产物实验

2.1 仪器、药品和材料

W形管、酒精灯、金属网罩、木炭粉（AR）、氧化铜（AR）、澄清石灰水

2.2 实验装置

根据实验原理，设计如图2（a）所示的实验装置，检验木炭与氧化铜反应后的气体产物二氧化碳。图2（b）和图2（c）是一组对照实验，用于检验反应后可能产生的一氧化碳。

2.3 实验步骤及现象

2.3.1 检验气体产物二氧化碳

（1） 将氧化铜与木炭粉以质量比为13.3∶1进行混合，研磨3分钟。称取0.4g研磨均匀后的混合粉末装入W形管中凹槽A处，并用胶头滴管封住该端管口。用胶头滴管向B处放入1mL澄清石灰水[如图2（a）所示]。

（2） 用金属网罩罩住酒精灯，点燃酒精灯并对A处进行加热，观察现象。

（3） 分别用氧化铜与木炭粉质量之比为10∶1、 6.7∶1研磨均匀的混合固体重复上述实验。

2.3.2 检验气体产物一氧化碳

（1） 向W管凹槽B1处放入0.2g氧化铜粉末，凹槽A1处不放置药品[见图2（b）]。点燃酒精灯，并对B1处固体加热5分钟，进行空白对照实验。

（2） 另取干燥洁净的W形管，将氧化铜与木炭粉以质量比为13.3∶1均匀混合，研磨3分钟。称取0.4g研磨后的混合粉末装入W形管中凹槽A2处，并用胶头滴管封住该端管口。从另一端放入0.2g氧化铜粉末于凹槽B2处[如图2（c）所示]。

（3） 两个酒精灯均罩上金属网罩，点燃酒精灯并用外焰同时对A2、 B2两处加热5分钟。

（4） 实验结束，移开W形管，观察A2、 B2处固体颜色。

（5） 分别用氧化铜与木炭质量比为10∶1、 6.7∶1研磨均匀的混合固体重复步骤（2）～（4）。

文献资料显示，木炭还原氧化铜实验成功的药品常见比例范围为木炭与氧化铜的质量比在1∶6～1∶13.3之间[1]，本实验使用的药品质量比在此比例范围内。

2.3.3 实验现象和结论

实验结束后，发现木炭粉和氧化铜在不同配比下的实验现象基本一致。

图2（a）装置中A处黑色的反应物变成红色颗粒，B处石灰水变浑浊，证明反应有二氧化碳气体产生。图2（b）装置中，B1处固体没有变化。而图2（c）装置中A2处固体明显变红，B2处有少量暗红色固体产生，对比说明A2处反应有一氧化碳生成。但B2处固体变红程度与A2处相比不明显，说服力不强，为了让实验结果更加精准，笔者设计了如下的数字化改进实验。

3 数字传感器探究木炭与氧化铜反应的气体产物实验

3.1 仪器、药品和材料

威尼尔无线氧气浓度传感器、朗威无线二氧化碳传感器、朗威无线一氧化碳传感器、电脑和配套软件;氦气、木炭粉（AR）、氧化铜（AR）;硬质短试管、酒精喷灯、火柴、乳胶管、气球、橡胶塞、平底三颈烧瓶、带铁夹的铁架台

3.2 实验装置简介

如图3所示，用定制的硬质短试管进行反应，用平底三颈烧瓶收集试管中反应产生的气体。三颈烧瓶一端口径连接双孔橡胶塞（配细而短的导气管），并用气球防止尾气逸出。另外两个口径为定制尺寸，分别与无线一氧化碳传感器和无线二氧化碳传感器配接。该装置保留了教材实验的发生装置，短试管和细玻璃管可以保证产生的气体被快速导入三颈燒瓶，确保在密闭状态下同步采集产生的一氧化碳和二氧化碳气体的浓度数据。

为避免装置内空气中的二氧化碳、氧气与木炭反应，对本实验气体产物的检验造成干扰，在实验前用氦气对装置进行排空气处理。先用氦气枪向三颈烧瓶和短试管中通入氦气，用氧气浓度传感器和二氧化碳传感器检测装置内空气是否除尽[如图4（a）、图4（b）所示]。

通氦气前，装置内空气中含有二氧化碳，其含量约为600ppm，

随着氦气的不断通入，二氧化碳气体含量降至0ppm，说明装置内空气已被排尽。

3.3 实验步骤

（1） 组装仪器： 如图4（a）所示，连接仪器，固定装置并检查装置气密性。

（2） 配药品： 将氧化铜与木炭粉以质量比13.3∶1均匀混合，研磨3分钟。称取0.3g研磨后的混合粉末装入硬质短试管。

（3） 开始实验： 打开电脑软件，新建X轴为时间，新建两个Y轴分别为二氧化碳浓度和一氧化碳浓度。

（4） 分别向a、 b两部分装置内充入氦气，当传感器检测到氧气和二氧化碳含量基本降为0时，停止通气，密封装置。

（5） 点击采集数据、记录数据。点燃酒精喷灯，先对试管进行预热，再集中加热，实验持续到数据较为平缓时停止采集，保存实验数据，后期用origin8.0软件完成作图。

（6） 清洗试管并干燥，分别将氧化铜与木炭粉以质量之比分别为10∶1、 6.7∶1均匀混合，重复上述实验步骤。

3.4 实验现象及数据处理

初中阶段学生学习的物质之间的量比关系以物质的量之比最为常见，因此，分析实验数据时应将反应物的质量之比转换为物质的量之比。三组实验均可看到试管中固体受热有红热现象，反应后生成红色颗粒状固体（如表1所示）。

本实验分别按照氧化铜与木炭物质的量之比为2∶1、 1.5∶1、 1∶1混合后进行实验，同时用无线一氧化碳传感器和无线二氧化碳传感器采集数据。为比较反应物的量比与产生的两种气体的量之间的关系，笔者将生成二氧化碳的曲线与生成一氧化碳的曲线放在同一坐标系下表征，根据实验数据最大值和最小值，将二氧化碳浓度对应的纵坐标范围设为0～40000ppm，一氧化碳浓度对应的纵坐标范围设为0～2000ppm。横坐标根据曲线平稳所需时间，设为0～325s（见图7至图9），并将3组CO含量曲线图汇总到同一坐标下进行比较（如图10所示）。

本实验除记录两条曲线基本平稳时的各气体的实际浓度数值外，同时计算曲线趋于平稳时的二氧化碳的浓度与一氧化碳的浓度的比值，多次实验取平均值（如表2所示）。从曲线变化趋势、数值大小、浓度比值三个方面分析，以增强实验结果的准确性。

4 结果分析

气体传感器检测结果与W形管实验结论一致，证明木炭还原氧化铜的气体产物既有一氧化碳又有二氧化碳。对比三组数字化实验的曲线和数据分析得出： （1）木炭和氧化铜反应的主要气体产物是二氧化碳气体。（2）随着混合物中氧化铜的配比逐渐增大，产生的二氧化碳气体的占比持续增多，产生的一氧化碳气体含量逐渐减少，但各比例反应始终有一氧化碳产生。当反应物n（CuO）∶n（C）=2∶1时，产生的一氧化碳浓度几乎可以忽略不计。因此可以得出木炭与氧化铜在高温下主要发生的反应为： C+2CuO高温2Cu+CO2↑。（3）由图8、图9可知，当木炭过量时，二氧化碳的量到达一定峰值后，都出现了下降趋势，说明可能是过量的木炭与生成的二氧化碳发生反应生成了一氧化碳。

5 课堂应用

课堂教学中，基于学生提出的“木炭还原氧化铜可能有一氧化碳生成”的问题，教师引导学生用W形管设

计实验，让木炭还原氧化铜生成的气体继续还原氧化铜粉末，观察到第二处氧化铜粉末也略微变红证明反应确有一氧化碳生成。根据实验现象，引导学生进一步思考如何避免生成一氧化碳气体的反应发生。学生分析后提出设想： 可以通过增加氧化铜粉末的量来避免一氧化碳生成。学生配平生成一氧化碳、二氧化碳的两个反应的化学方程式，从理论上得出实验中氧化铜与木炭之比大于等于2∶1时生成的气体产物为二氧化碳。为验证假设，师生结合气体传感器改进实验方案，收集、分析数据，获得结论。本课中传统实验与数字化实验的结合突破了学生的思维瓶颈，满足了不同层次学生的认知需求，不仅有助于学生进一步认识到化学反应是复杂的，同时又是可控的;当反应物相同而反应物的量不同时，产物也可能不同。

化学实验是提高学生动手能力与思维能力的关键途径，传统实验在这其中有着不可替代的作用和优势。学生从传统实验中能够初步获得实验的基本技能，在不断积累中，逐步提升实验分析能力及实验设计能力。但对某些教学中的难点问题，传统的方法有时很难突破[2]，而数字化实验利用仪器代替人体感官，客观精准地记录并分析实验数据，可以避免因感觉的差异引起实验现象感知的偏差，突破人体感知的局限性，使化学反应的过程实证化、动态化与定量化[3，4]，但对于学生的数据分析处理能力也存在较高的要求。因此在教学中，教师要基于学情，合理选择实验内容、传感器功能以及数据呈现方式，将数字化实验和传统实验有机结合，才能充分发挥各自的优势，提高教学效果。

参考文献：

[1]汪阿恋， 吴新建， 张贤金， 叶燕珠. 木炭还原氧化铜实验的再探究[J]. 化学教学， 2015， （4）： 66～68.

[2]徐睿. 中学化学数字化实验的新趋势[J]. 化学教学， 2020， （9）： 31～36.

[3]项佳敏， 钱华， 马宏佳， 陈凯. 信息技术与化学学科教学深度融合的案例研究——以数字化实验为例[J]. 化学教学， 2020， （9）： 21～27.

[4]裴传友， 马善恒， 杨芹. 中学化学数字化实验的发展与应用[J]. 化學教学， 2020， （2）： 56～60.