浅谈我对木炭还原氧化铜的几点感悟.docx
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浅谈我对木炭还原氧化铜的几点感悟
浅谈我对木炭还原氧化铜的几点感悟
化学是一门以实验为基础的学科，演示实验是一个最直接、有效的学习化学知识的手段，能让学生感受到化学就在身边，从而激发学生的学习兴趣，成功的演示实验对于教学来说尤为重要，只有现象明显的演示实验才是学习的助推剂。
木炭还原氧化铜是初中化学的重点内容之一，这个实验的难度较大，且成功率比较小，稍不注意就会失败。
以下是我从几年实际的教学中对该实验的几点感悟：
一、木炭还原氧化铜为什么需要较高的温度
用大学无机化学中的焓变，能够计算出H∞＜0，则该反应是一个放热反应那为什么还需要较高的温度？
因为物质发生化学变化的过程，是原子重新组合的过程。
必须破坏反应物内的化学键，形成新的化学键，才能得到新物质。
要克服旧键断裂前的引力和新键形成前的斥力，相互作用的微粒必具有足够大的能量。
也就是说，存在着一个对化学反应速度影响极大的活化能问题。
木炭还原氧化铜的反应物晶体中，都存在着强的化学键。
如使用的木炭，实质上有着石墨的晶体结构，碳原子以SP2杂化轨道与邻近的3个碳原子形成键能很大的C—C共价单键，并排列成六角平面的网状结构，整体结构异常稳定。
所以，尽管每个碳原子还有一个自由的P电子，石墨的熔点也只比金刚石低50K左右，高达3300K以上。
氧化铜也非常稳定，若无其他因素存在，仅凭加热铜氧间的化学键，那只有超过1273K时，氧化铜才能释放出氧，变成氧化亚铜。
两反应物晶体结构的稳定，使木炭还原氧化铜的变化具有高的活化能。
加之这个反应是固体和固体间的反应，变化只能在表面进行，更增加了反应的困难程度。
不过，在经过研磨的木炭和氧化铜的晶体表面，有大量原子的化学键不饱和，甚至严重不饱和，具有很高的化学活性，所以在加热的过程中，尽管整个反应体系不能在现出剧烈的现象，但仍有一些反应物发生变化，能观察到澄清的石灰水变浑浊，在反应完后，在黑色的粉末里有一些红色的物质，说明有二氧化碳和单质铜生成。
不过，若控制好一些重要的实验条件，该反应仍能剧烈进行，出现明显的实验现象。
二、木炭和氧化铜放出热量的实验事实
在近几年的化学资料上，己经有了木炭和氧化铜实验现象的描述。
我们在演示实验教学中，组织学生对这一反应进行过几十次的实验和研究，结论是，控制好实验条件，能使木炭和氧化铜的反应剧烈地发生，观察到下列现象：
（1）对木炭和氧化铜的混合粉末加热一定时间后（短的2分钟，长的6多分钟），部分反应混合物开始燃烧；此时移走酒精灯，燃烧继续，几秒钟后燃烧完全，反应停止。
燃烧本身就发光、发热。
当燃烧开始后，停止加热而燃烧继续，则证实了反应放出的热量，足以使还未反应的混合物的温度升高到燃烧所需要的温度；
（2）将木炭和氧化铜反应生成的产物在封闭的状态下冷却后取出观察，发现各次实验所得到的固体产物的形态各不相同，可分3种情况：
①紫红色铜块，铜块有部分光亮的表面，挤压不烂；②紫红色小铜珠，坚硬、光亮，在一次实验中可同时得到几粒到十几粒；③整个反应混合物烧结成一整块，颜色为红色到暗红色，光泽不好，加压易碎，但不能压成粉末状。
（3）木炭还原氧化铜的气体产物，能使澄清的石灰水变浑浊，证明反应产生的气体是二氧化碳。
本实验取用的木炭和氧化铜，均被研磨成了极细的粉末，反应后变成铜块和铜珠，说明该反应生成的铜起码有一部分经过了熔化过程，这个过程是绝对不可能靠酒精灯的火焰温度就完成的，而只可能是反应本身放出了较多的热量，且被产物铜有效地吸收的结果。
这也有力地说明了木炭还原氧化铜有放出热量的现象，该反应是放热反应。
综上所述：
控制好实验条件，才能进行成功的演示实验，不仅能使学生清晰地观察到具有紫红色的铜块或铜珠生成，而且对反应的产物还有科学的、直观的印象。
从而对学生掌握化学知识有非常重要的作用。
三、木炭还原氧化铜的条件
为了木炭还原氧化铜的演示实验能成功地完成，应具备如下的基本实验条件：
（1）反应物的量，若木炭和氧化铜均能完全反应，则加热时提供的热量及反应中产生的热量利用率最高，成功演示的可能性最大。
根据化学方程式，理论计算得出，mc：
mcuo的比值为1：
13.3时，两反应物恰好完全反应。
但是，由于以下二个因素，①实验中取用的是木炭，内中含有一些盐和氧化物等等其它物质，②要使氧化铜中的铜被充分地还原出来，木炭需要稍微过量，实验经验的比值（mc：
mcuo）为：
1：
10～1：
10.5，在此比值范围内，反应的现象最明显。
并且，木炭在称量之前，，应进行烘烤，除去吸附的水份，这样就可以减少反应物取量的误差，也拥有利于反应的发生。
所以木炭应该过量。
（2）反应物的研磨和混匀，木炭还原氧化铜是固体物质之间的反应，因此，总的表面积的大小，固体物质之间的混匀程度，是影响反应速度、成败的至关重要的因素。
固体物质研磨得越细，总表面越大，活化中心越多；加上均匀地混合，反应物间的原子或分子有效碰撞几率越大，反应越能成功。
该实验中，应将合适质量比的木炭和氧化铜放入研钵内，进行充分的研磨和搅和，使其在研磨和搅和的过程中。
得到充分的混匀。
实践证明，若是认认真真地作了这道操作工序，即便使用普通酒精灯加热混合物，也能观察到明显的试验现象。
否则，只有用酒精喷灯进行强热，才能使反应进行得比较完全。
（3）酒精灯火焰旺盛、稳定。
在反应过程中，应使整个反应混合物处在酒精灯火焰的包围之中，比较均匀而快速地获得热量，温度比较一致地升高。
当反应在一个点发生时，被能比较快地蔓延开，使反应的进程缩短，释放出的热量集中，散失少，则反应体系的温度迅速升高，导致剧烈反应，进行燃烧。
产物铜也就在剧烈反应的高温中被熔化、凝成铜块或铜珠。
四、教师对实验的态度
每一次的演示实验，成功的机会只有一半。
对于木炭还原氧化铜来说，完全成功的机会更小，而许多教师在做这个演示实验时，现象并不明显，而为了教学或完成教学内容，强行得出应有的结论，学生只有一味的接受，并会持怀疑的态度，会影响学习的兴趣；有的实验现象看到的是砖红色物质，可教师就得出那是铜，而许多教师心里也清楚那是氧化亚铜，可是为了一味的教学而不注重实事求是，当然学生不知真正缘由，可老师应该坦然面对实验结果，并进行讲解实验失败的原因，该实验的注意事项，教会学生实事求是。
教师应该在课后再认真的分析和实验，找到问题的根源，找到成功演示的所有条件，为以后做实验打下坚实的基础。
只有教师有实事求是的态度，学生才会真正学到科学知识。
总之，演示实验是一把双刃剑，成功且现象明显演示实验，则是学习的好帮手；否则，会让学生失去学习积极性。
故教师应该广闻博记，扎实专业知识，对特难的实验多实验；多改进；多交流，找到最能成功演示的条件，以使自己的教学水平不断提高。
木炭还原氧化铜实验的改进
人教版九年级化学上册107页实验[6-7]用木炭还原氧化铜实验，是初中化学几个重要演示实验之一，该实验若按教师教学用书上的两种方法去做，在实际操作中往往看不到理想的实验现象。
对老师的实验技能和学生掌握碳的还原性这一知识点起到一定的负作用，
起不到化学实验是学生获取化学知识点的重要途径的效果。
不利于培养学生的严谨的科学态度和尊重客观事实的优良品德。
该实验的难点主要是如何将还原出来的铜从混合物中分离出来，让学生看到红色的铜。
若用水把混合的氧化铜与木炭粉调成糊状，涂在试管内壁上，或用硝酸铜晶体加热制备新鲜的氧化铜，因实验准备时间长，操作较复杂，技巧性较强，有时难看到铜镜的现象，有些教师不愿做。
前者因为氧化铜与木炭粉均为黑色，在实验中很难做到让其恰好反应，所以实验现象不明显。
下面是本人在教学中对该实验的处理方法，以供参考。
1.实验用品：
试管，导管（带橡皮塞），铁架台，酒精喷灯，铜丝，铁砂纸，木炭，澄清石灰水。
2.实验步骤：
（1）氧化铜准备：
将铜丝打磨后用铅笔绕成螺旋状，放在火上灼烧，直至全部变黑为止，放入试管的底部。
（2）将烘烤后的木炭粉放入试管，将整个铜丝螺旋部分覆盖住。
（3）按教材装置图装配仪器，用酒精喷灯加热4-5分钟即可。
待试管冷却后取出铜丝可看见被还原后的红色铜丝。
该实验的优点主要是a操作简单可靠。
b被还原出来的铜易于木炭粉分离。
摘要本文对木炭还原氧化铜实验困难主要原因进行了深入探讨，并针对这一实验的关键，提出了将反应启动与现象观察分为3个连续过程进行的新实验思路。
关键词木炭还原氧化铜新设计
木炭还原cuo是中学化学重要实验，但教材提供的实验方法成功率不高，按刘怀乐老师说法，“木炭还原cuo仍然是初中化学实验中至今还没有完全解决的最难最难的一个演示实验”[1]。
据笔者观察，现阶段仍有相当多实验者不能成功做好这一实验。
1.实验应达到的效果
教学中实验应达到：
（1）有鲜明现象证明反应生成铜单质，最好效果是得到紫红色铜块。
（2）有鲜明现象证明反应生成了二氧化碳（石灰水浑浊）。
（3）反应放热，应发现反应启动后停止加热仍继续红热燃烧。
现象
（1）、
（2）必须保证，现象（3）应尽可能达到。
教学中相当多实验者仅能勉强发现石灰水浑浊或勉强观察到红色物质生成，能使反应红热燃烧的不多。
2.实验改进主要现状
近年来，各种刊物针对实验改进的论文众多，主要是：
一，从药品入手，如选择新制的炭、复印机的炭粉，用铜片新制cuo等；二，从热源入手，如特制大火酒精灯、三芯灯或电热器等；三，对装置改进，如特制试管，将混合物涂抹试管内壁，将试管包石棉网等。
这些改进一定程度使效果改善，但药品与热源的选取等常不尽人意，使这些改进未能普遍推广。
3.反应探讨
3.1理论分析
3.1.1酒精灯温度能否使反应自发进行？
据热力学数据[2]，
表一反应物、生成物相关热力学数据（298.15k）
/（kj.mol-1）
/（kj.mol-1）
/（j.k-1.mol-1）
c（石墨）
0.0
0.0
5.7
co2（g）
-393.5
-394.4
213.8
cu（cr）
0.0
0.0
33.2
cuo（cr）
-157.3
-129.7
42.6
在等温等压不做体积功时，计算反应相关数据如下表：
表二 2cuo（s）+c（石墨）＝2cu（s）+co2（g）热力学数据（298.15k）
δgθ
δhθ
δsθ
-135.0kj·mol-1
-78.9kj·mol-1
191.3j·mol-1·k-1
这说明，炭还原cuo既是焓减反应又是熵增反应，任何温度均能自发进行。
正常燃烧的酒精灯温度为600℃左右（见表五，一般认为400℃-500℃），从吉布斯—亥姆霍茨（gibbs-helmholtz）方程计算，酒精灯温度时，吉布斯自由能约为-245.9kj·mol-1，显然，酒精灯温度对反应自发进行极有利。
同时，由于反应生成的co2不断逸散，反应不存在平衡的建立。
3.1.2酒精灯温度能否引发反应？
炭还原cuo是固相反应，特点是：
固体质点间作用力大，扩散受限制，反应组分局限在固体中，使反应只能在界面进行。
固相反应有两个基本过程，第一是反应物旧键断裂和生成物新键形成并形成新产物的核；第二是物质迁移到反应区域，影响核的形成。
炭还原cuo反应物旧键断裂较困难，特别是木炭、活性炭实质是石墨晶体，碳原子以sp2杂化轨道与邻近3个碳原子形成c—c间σ键并p电子形成п键，排列成六角平面网状结构，c—c键能大，晶体结构异常稳定。
固体物质迁移很困难，通常固体粒子扩散的平均路程（μm数量级）和在固体内扩散速度（约为同温度气体、液体的百万分之一）都决定了木炭还原cuo反应较难发生。
据泰曼（tamnann）规则，固相反应能够显著进行的温度是反应物的泰曼温度较低者决定的。
未查到炭还原cuo反应温度，可据泰曼温度估算：
表三碳单质及氧化铜的熔点[3]
反应物
c（金刚石）
c（石墨、无定形碳）
cuo（s）
熔点/℃
＞3550
3652-3697（升华）
1326
无机物的泰曼温度约为0.5tm[4],熔点较低者为cuo，熔点1326℃，即1599k，其泰曼温度约为800k（0.5tm），即527℃。
显然，炭还原cuo反应的温度在正常燃烧的酒精灯温度（600℃左右）之下，酒精灯温度能顺利引发反应并显著进行。
3.2实验证明
上述结论是否合理，笔者实验实证。
药品：
炭粉：
a.较疏松木炭;b.较坚硬木炭;c.活性炭（分析纯）;d.蔗糖脱水制得的炭（先自来水，再蒸馏水多次漂洗至漂洗液ph值接近7）；氧化铜（分析纯）
药品按m（c）:
m（cuo）=1:
10.6混合，分别研磨8min。
取2g实验。
现象：
表四不同炭粉与氧化铜不同加热方式反应现象对比
炭粉种类
a
b
c
d
方法1：
薄铜片（打小孔逸散co2）包裹灼烧
1ˊ10〞引发，红热燃烧，冷却后紫红色铜块。
收集气体注入石灰水浑浊显著。
1ˊ25〞引发，红热燃烧，冷却后紫红色铜块。
收集气体注入石灰水浑浊显著。
1ˊ20〞引发，红热燃烧，冷却后紫红色铜块。
收集气体注入石灰水浑浊显著。
3ˊ40〞引发，红热燃烧，冷却后红色铜稍差。
收集气体注入石灰水浑浊显著。
方法2：
18×180mm试管加热（火焰无晃动）
2ˊ10〞石灰水浑浊，4ˊ00〞气泡减少，8ˊ10〞气泡几乎停止。
药品变红，无红热现象。
2ˊ30〞石灰水浑浊，4ˊ30〞气泡减少，8ˊ20〞气泡几乎停止。
部分药品变红。
无红热现象。
2ˊ30〞石灰水浑浊，5ˊ30〞气泡减少，8ˊ40〞气泡几乎停止。
部分药品变红。
无红热现象。
5ˊ10〞石灰水浑浊，7ˊ气泡减少，9ˊ气泡几乎停止。
部分变红极少。
无红热现象。
方法3：
18×180mm试管，灯焰加网罩加热（酒精灯不移动）
1ˊ40〞石灰水浑浊，2ˊ20〞部分药品红热燃烧，部分蔓延，3ˊ50〞气泡减少，4ˊ30气泡几乎停止。
1ˊ55〞石灰水浑浊，2ˊ35〞部分药品红热燃烧，未蔓延，4ˊ10〞气泡减少，气泡减少，4ˊ50〞气泡几乎停止。
1ˊ50〞石灰水浑浊，2ˊ30〞部分药品红热燃烧，未蔓延，4ˊ15〞气泡减少，5ˊ10〞气泡几乎停止。
3ˊ10〞石灰水浑浊，5ˊ40〞气泡减少，8ˊ30〞气泡几乎停止。
药品部分变红。
无红热现象。
说明：
1.反应物颗粒大小，混合均匀程度，干湿程度基本一致，使用同一燃烧良好的酒精灯；现象目视观察，时间手动秒表测定。
环境温度为24℃；方法1中co2用集气瓶收集。
2.若混合物用水调为泥状包裹灼烧，时间延长2min-4min，冷却后紫红色铜块效果更好。
烘干灼烧，时间与粉末灼烧相近，效果也极好。
3.用碱式碳酸铜加热分解的cuo重复试验，所用时间和现象与上表相近。
4.实验进行三次，相隔7天。
方法1三次实验差异小，方法2、方法3三次试验差异大，其中一次用方法3未能明显红热。
表中为效果最好的一次实验现象。
5.不同厂家的酒精灯燃烧温度有差异，用不同厂家酒精灯加热试管实验，燃烧较差者加网罩也难使药品红热燃烧。
结论：
（1）实验室常备的炭（木炭、活性炭）和cuo在酒精灯温度下直接灼烧能够红热燃烧使其显著反应达理想效果，与理论探讨吻合，刻意寻求其他药品价值不大。
（2）用试管加热不加网罩，极难使反应红热燃烧。
（3）用试管加热加网罩并控制好其他条件，一般能使反应红热，但稍有意外（如酒精灯燃烧较差），难以保证都获得理想效果。
讨论：
酒精灯试管加热为何难以保证达到最佳效果可从不同加热温度探讨。
采用河北师大王克勤等的酒精灯灯焰温度和试管受热温度相关数据[5]与炭还原cuo的泰曼温度（按0.5tm计算值：
527℃）对比：
表五不加网罩试管受热温度与反应的泰曼温度比较
焰层
焰心
内焰
外焰
整体灯焰（算术平均值）
灯焰平均温度/℃
598
783
667
683
试管受热温度/℃
458
526
482
489
试管受热温度与泰曼温度差/℃
-69
-1
-45
-38
表六加网罩试管受热温度与反应的泰曼温度比较
焰层
焰心
内焰
外焰
整体灯焰（算术平均值）
灯焰平均温度/℃
698
883
767
783
试管受热温度/℃
558
626
582
589
试管受热温度与泰曼温度差/℃
+31
+99
+55
+62
注：
1.温度差为“试管受热温度/℃－527℃”，按加网罩提高100℃计算。
2.若利用华南师大钱杨义等提供的一组数据[6]，灯焰平均温度为，焰心：
432.3/℃；内焰：
665.5/℃；外焰：
519.9/℃，仍按王克勤加网罩提高100℃，试管温度降低约140℃-260℃估算，所获得的试管受热平均温度数据低于泰曼温度。
数据提供一个重要信息：
（1）不加网罩试管加热，即使用温度最高的内焰加热，也很难使这一反应显著发生（低于泰曼温度）。
（2）加网罩试管加热，以平均温度计算，温度在反应显著的下限附近，按最高的内焰温度计算，反应能剧烈进行的温度也无显著优势，并受酒精灯自身燃烧状况，试管大小等多方面因素影响。
（3）直接灼烧，无论是否加网罩，因避开了试管受热约140℃-260℃温度降低，药品受热温度显著高于泰曼温度使反应显著。
反应混合物质量比，反应物颗粒大小和混合程度等对实验有显著影响，但可控制。
4.实验新设计
笔者认为，为保证此反应用酒精灯加热显著进行，为何不可越过“试管加热”这雷池一步而另辟蹊径？
将木炭和cuo的混合物直接灼烧是可行的思路。
这里需解决两个问题：
（1）混合物灼烧如何隔绝体系外空气及酒精蒸气；
（2）如何简便检验反应产物co2和观察还原出的铜。
简单操作可达这一目的：
将反应引发与产物检验与观察分离为3个连续过程:
（1）金属包裹灼烧引发反应，观察红热现象；
（2）利用反应引发后从火焰移开到反应结束持续红热的时间间隔收集co2用石灰水检验。
（3）观察还原出的铜。
准备：
实验室常备仪器：
薄铜片（大小能包裹所需药品,周边打若干针孔般小孔用作视窗和co2逸出），石棉网、酒精灯、集气瓶、坩埚钳。
实验室常备药品：
木炭（活性炭）、氧化铜、澄清石灰水。
取木炭（活性炭）和cuo按质量比1：
10到1:
11（刘怀乐老师推荐1：
10.6），充分研磨混合均匀，取一定量混合物用铜片包裹成药品包。
步骤：
（1）将药品包用坩埚钳夹持在酒精灯焰灼烧，当反应启动，药品包通体发红并小孔视窗发出红光时放石棉网上。
（2）将集气瓶倒扣药品包，药品持续红热。
当药品包视窗红光变暗，取下集气瓶注入石灰水振荡，观察石灰水浑浊。
（3）冷却后打开药品包，观察紫红色铜块。
全部实验约3min-5min完成，一气呵成，三个效果鲜明。
特点：
（1）反应发生后铜片内部压强大于环境压强，可有效隔绝空气，小孔视窗有利于co2逸出，反应引发后易观察红热现象。
（2）倒扣集气瓶反应持续红热生成co2聚集集气瓶底部（上方），是利用热co2上升原理，集气瓶中压强变化不大，不会对反应造成明显影响。
（3）实验具科学性，简约、安全、快速、现象鲜明，不需对药品、热源特殊要求。
作为演示和学生实验成功率极高。
参考文献
[1]刘怀乐.中学化学教学实证与求索[m].重庆：
西南师范大学出版社.2002：
12.
[2]华彤文,陈景祖等.普通化学原理（第三版）[m].北京：
北京大学出版社.2005：
478-479.
[3]中学化学教师手册编委会.中学化学教师手册[m].北京：
科学普及出版社.1981：
103-128.
[4]陈慧兰.高等无机化学（m）.北京：
高等教育出版社.2005：
360-361.
[5]王克勤，逯俊玲,左志军.酒精灯加热温度的测定研究[j].化学教学，2003，（11）：
42-43.
[6]钱杨义，陈国泉.酒精灯火焰温度是外焰“最高”吗[j].化学教育，2006，（7）：
52.
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