劉車

摘要：根據(jù)木炭還原氧化銅的熱力學(xué)數(shù)據(jù)和反應(yīng)物的特點(diǎn)，采用蠟燭炭黑代替木炭粉末，進(jìn)一步增大了固體藥品間的接觸面積，使木炭還原氧化銅的反應(yīng)速率更快，現(xiàn)象十分明顯。

關(guān)鍵詞：接觸面積，炭黑，氧化銅

文章編號：1008-0546（2020）05-0096-02 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.05.026

木炭還原氧化銅是人教版九年級化學(xué)中的一個重要實(shí)驗(yàn)，也是一個現(xiàn)象不明顯而又耗時的實(shí)驗(yàn)。在酒精燈加熱的條件下木炭與氧化銅反應(yīng)的速率十分緩慢，實(shí)驗(yàn)過程中能觀察到澄清石灰水變渾濁，但很難觀察到黑色粉末逐漸變紅的現(xiàn)象，通常只能觀察到黑色混合物中的少量固體有不明顯的變紅跡象。因此，許多教師嘗試了不同的改進(jìn)方法。

一、分析反應(yīng)原理

木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)可以追溯到我國古代的火法煉銅。古代人們利用炭火灼燒銅礦石得到了大量的青銅。那么，是什么原因?qū)е卵菔驹搶?shí)驗(yàn)時反應(yīng)速率緩慢，現(xiàn)象不明顯的呢？木炭還原氧化銅是固相反應(yīng)：2CuO（s）+C（s）=2Cu（s）+CO₂（g）。在298.15K時，該反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如表1。

這些數(shù)據(jù)說明，炭還原CuO既是焓減少的反應(yīng)又是熵增加的反應(yīng)，可以自發(fā)進(jìn)行。但是，由于實(shí)驗(yàn)中用到的木炭和氧化銅都是固體顆粒，而固體顆粒的大小、形狀及混合程度都會影響到藥品間的接觸面積。如果木炭顆粒和氧化銅顆粒不能充分接觸，那么這兩種固體間就很難反應(yīng)。所以，這兩種固體間的實(shí)際接觸面積小是導(dǎo)致該反應(yīng)需要高溫加熱，而且速率緩慢的主要原因。要使該反應(yīng)順利地快速進(jìn)行，關(guān)鍵是要增大固體間的接觸面積，同時還要利用反應(yīng)本身放出的熱量加快反應(yīng)速率。因此，實(shí)驗(yàn)中所用的木炭粉末和氧化銅粉末應(yīng)該是越細(xì)越好，并且要將兩種粉末混合后充分研磨，使木炭粉末和氧化銅粉末最大程度地互相接觸，再將混合粉末堆放在試管底部，而不能平鋪在試管底部。

二、部分文獻(xiàn)中的改進(jìn)方法

木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)一直是許多教師和教研工作者的研究對象，為了能夠觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，縮短反應(yīng)時間，不少教師從改變藥品、裝置或熱源等方式進(jìn)行了改進(jìn)。穆玉鵬把表面形成氧化銅薄膜的銅片埋人滑性炭中，用酒精燈加熱，發(fā)現(xiàn)銅片變亮，氧化銅被還原。李穎等在自制的胖肚管內(nèi)分別做了木炭粉和氧化銅粉末反應(yīng)，以及木炭粉和表面有氧化銅的銅條反應(yīng)兩個實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象比較明顯。庭開軍證實(shí)了在木炭和氧化銅的混合物中加入CaCl₂、MgCl₂等金屬氯化物可降低反應(yīng)的溫度要求，用酒精燈小火加熱就可以反應(yīng)，且加熱時間短，反應(yīng)速率快，成功率高達(dá)100%。周文元使用酒精噴燈加熱平臥型裝置中的燒烤用機(jī)制炭粉末和氧化銅粉末的混合物，得到了亮紅色銅塊。雖然這些改進(jìn)方法取得了成功，但是與課本中的實(shí)驗(yàn)相比有較大的不同。還有一些教師采用降低炭粉或氧化銅粉末顆粒大小的方法進(jìn)行了改進(jìn)。任娟等將木炭和固相反應(yīng)法制備的納米氧化銅混合，用酒精燈的外焰加熱試管底部約1分鐘，發(fā)現(xiàn)澄清石灰水逐漸變渾濁，試管底的反應(yīng)物產(chǎn)生紅熱現(xiàn)象，冷卻后得到了紅色的銅。馬本良等使用碳素墨水和氧化銅融合后晾干的方法，取得了成功。可見，降低反應(yīng)物顆粒大小的改進(jìn)方法是可行的。但制備這些顆粒更細(xì)小的炭粉或氧化銅粉末的過程相對比較復(fù)雜。

三、木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

炭黑顆粒非常細(xì)小，屬于納米粒子，用于制造油墨、油漆等，也用于做橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑。蠟燭炭黑是最常見的一種炭黑，它是極細(xì)的黑色粉末，有非常大的表面積，且易于收集。用蠟燭炭黑代替木炭粉末與氧化銅反應(yīng)能進(jìn)一步增大接觸面積，加快反應(yīng)速率。

1.實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

鐵架臺、試管、酒精燈、燈罩、導(dǎo)管、彈簧夾、膠皮管、蠟燭炭黑、氧化銅粉末、澄清石灰水等。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。酒精燈上的燈罩有防止火焰擺動，提高溫度的作用。導(dǎo)管的中部連有膠皮管，并配上彈簧夾，這是為了防止在停止實(shí)驗(yàn)并冷卻時空氣進(jìn)入試管導(dǎo)致生成的銅再被氧氣氧化。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用蒸發(fā)皿的底部接觸蠟燭火焰，收集蠟燭炭黑（也可以在蒸發(fā)皿中加入適量的水，降低蒸發(fā)皿的溫度，能收集較多的炭黑）;

（2）按木炭與氧化銅最佳質(zhì)量比1：10和1：11稱取兩種藥品共1.1g和1.2g，并在研缽內(nèi)充分研磨（研磨5-10分鐘）;

（3）將充分研磨后的固體混合物加入試管，堆放在試管底部，按圖1所示方式連接儀器，用加有燈罩的酒精燈加熱藥品，觀察現(xiàn)象;

（4）等到導(dǎo)管口不再有氣泡冒出時，用于彈簧夾夾緊膠皮管，將導(dǎo)管從試管中取出，熄滅酒精燈。

（5）待試管冷卻后，將試管中的藥品倒在白紙上觀察固體粉末顏色的變化。

4.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

預(yù)熱后，用酒精燈的外焰加熱十幾秒鐘就可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管口冒出氣泡的速率明顯加快，澄清石灰水變渾濁，這是反應(yīng)開始的標(biāo)志，數(shù)據(jù)如表2。同時，固體混合物紅熱劇烈反應(yīng)，并在紅熱的固體上方出現(xiàn)了少量黑煙，導(dǎo)管口冒出氣泡的速率進(jìn)一步加快，試管里的石灰水幾乎要噴出試管口。固體紅熱后，很快導(dǎo)管口不再有氣泡冒出，說明反應(yīng)已經(jīng)停止。在實(shí)驗(yàn)過程中，從預(yù)熱到反應(yīng)結(jié)束用時不到兩分鐘，有效縮短了反應(yīng)時間。冷卻后，倒出試管中的固體，發(fā)現(xiàn)絕大部分的黑色固體已經(jīng)變成了紫紅色。

5.“異常”現(xiàn)象分析

在炭黑和氧化銅劇烈反應(yīng)的紅熱固體上方出現(xiàn)了少量黑煙。這是因?yàn)樘亢诜勰┑拿芏冗h(yuǎn)小于氧化銅粉末的密度，而且十分細(xì)小，所以劇烈反應(yīng)產(chǎn)生的大量二氧化碳?xì)怏w促使了部分未反應(yīng)的炭黑顆粒與氧化銅顆粒互相剝離，產(chǎn)生了黑煙。取少量反應(yīng)后剩余的黑色粉末于試管中，加入足量的稀硫酸，加熱，充分反應(yīng)后可以發(fā)現(xiàn)溶液由五色變成淡藍(lán)色，同時液面上少量有黑色顆粒，說明氧化銅和炭黑都有少量剩余。這也是在加入藥品時，炭黑與氧化銅的質(zhì)量比要大于理論比的主要原因之一。