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木炭还原氧化铜课程论文
木炭还原氧化铜实验探究
摘要：
用正交实验法研究了木炭还原氧化铜实验的优化条件，深入探究了采用酒精灯为热源、改变反应器及反应物状态使实验获得满意效果保证该实验成功的优化方案
关键词：
碳氧化铜还原正交实验法
1前言
“碳还原氧化铜”演示实验是义务教育课程标准实验教科书《化学》九年级上册中的一个重要的疑难实验，说它重要是因为它是初中阶典型的固相和固相之间的高温放热反应，而疑难点在于实验成功率低，主要原因是两反应物（碳和氧化铜）的晶体结构相当稳定，使该化学变化具高活化能，而且固相间的反应只能在表面进行，更增加了反应的困难程度加之影响该实验的因素较多，如果实验条件控制不好，往往得不到明显的现象。
近年来，许多教育界同行对此进行了大量的研究，但仍然存在实验成功率低和实验现象不明显的问题，综合起来看，影响该实验的因素多达十几种，如碳和氧化铜的配比、碳和氧化铜的类型、反应药品干燥程度、反应混合物用量、反应温度、反应器类型、混合物的研磨时间、反应物堆积形态等。
所以本次探究实验运用正交试验法找出实验的主要影响因素（碳和氧化铜的质量之比、反应物的干燥程度、混合物的研磨时间、反应器）及最佳实验方案，解决实验现象与理论不符的问题。
其次本实验采用的装置与中学教材有所不同，更有效的保存了热量，使反应效果更加明显。
2实验原理
（1）原理：
2CuO+C
2Cu+CO2↑
二氧化碳能使澄清石灰水变混
副反应包括木炭和试管内氧气反应生成二氧化碳、碳过量会生成一氧化碳、氧化铜过量铜和氧化铜生成氧化亚铜。
常温下。
碳的化学性质不活泼；在高温下碳具有还原性可以将氧化铜等金属氧化物还原为金属单质，本身氧化成二氧化碳。
但该反应在高温下才能将氧化铜还原成铜，故温度对反应有很大影响；除此之外，经过一系列研究，发现碳与氧化铜质量比、反应物干燥程度、混合物研磨时间及反应器也会影响实验效果.
（2）采用正交实验法,设计因素水平表以及
正交实验表探讨实验优化条件。
通过对影响碳还原氧化铜实验诸多因素的初步分析本着既要操作简便规范适合初中课堂演示，又要保证100%成功率的原则，设计如下因素水平表（表1）
表1
碳和氧化铜的质量比
mc：
mcu
活性炭干燥时间
混合物研磨时间
反应器
1
A1（1:
7）
B1（不干燥）
C1（5min）
D1（无网罩）
2
A2（1:
10）
B2（0.5h）
C2（10min）
D2（细网罩）
3
A3（1:
13）
B（1.0h）
C3（15min）
D3（粗网罩）
3仪器与试剂
3.1仪器
试管（18*180,9支）；酒精灯；酒精灯罩（粗网罩、细网罩各一个）；烧杯（100mL）；带导管的胶塞；研钵；火柴；铁架台（含铁夹）
3.2试剂
木炭、氧化铜、澄清石灰水
4实验部分
4.1木炭的预处理将木炭在100℃的恒温烘箱中烘半个小时，然后按要求分别取适量研磨5min，10min，15min，再称量。
将木炭在恒温烘箱中分别烘半个小时，一个小时，放入干燥器中备用。
4.2检查装置的气密性如图1安装好装置，用手捂住试管，观察导管口处发现有气泡冒出，松开试管稍等片刻，观察导管口发现导管口发现有水柱产生。
4.4反应物的称取按要求称取2.0g反应物，并充分混合。
4.5实验过程
按表2实验顺序进行试验。
列号
mc：
mcu
木炭干燥时间
混合物研磨时间
反应器
试验号
1
A1
B1
C1
D1
2
A1
B2
C2
D2
3
A1
B3
C3
D3
4
A2
B1
C2
D3
5
A2
B2
C3
D1
6
A2
B3
C1
D2
7
A3
B1
C3
D2
8
A3
B2
C1
D3
9
A3
B3
C2
D1
实验1:
将2g反应物（mc：
mcu为1:
7，木炭不干燥，混合物研磨时间5min，无网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
实验2：
将2g反应物（mc：
mcu为1:
7，木炭干燥0.5h，混合物研磨时间10min，细网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
实验3：
将2g反应物（mc：
mcu为1:
7，木炭干燥1.0h，混合物研磨时间15min，粗网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
实验4：
将2g反应物（mc：
mcu为1:
10，木炭不干燥，混合物研磨时间10min，粗网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
实验5：
将2g反应物（mc：
mcu为1:
10，木炭干燥0.5h，混合物研磨时间15min，无网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
实验6：
将2g反应物（mc：
mcu为1:
7，木炭干燥1.0h，混合物研磨时间5min，细网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
实验7：
将2g反应物（mc：
mcu为1:
7，木炭不干燥，混合物研磨时间15min，细网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
实验8：
将2g反应物（mc：
mcu为1:
7，木炭干燥0.5h，混合物研磨时间5min，粗网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
实验9：
将2g反应物（mc：
mcu为1:
7，木炭1.0h干燥，混合物研磨时间10min，无网罩）放入试管底部，压实，按图1安装装置。
先用酒精灯预热，然后用外焰加热，观察反应物的颜色变化以及澄清石灰水的变化情况。
待反应进行2-3min后，关闭止水夹，撤去酒精灯，冷却后将反应物取出观察并打分。
5结果与讨论
5.1实验结果的记录与处理
5.1.1实验结果记录
表3实验结果记录
序号
试管内现象
烧杯内现象
评分
1
大部分光亮Cu
变浑浊
80
2
大部分光亮Cu
变浑浊
88
3
大部分光亮Cu
变浑浊
89
4
大部分光亮Cu
变浑浊
88
5
全部光亮Cu，稍有CuO、Cu2O
变浑浊
90
6
全部光亮Cu，稍有CuO、Cu2O
变浑浊
93
7
无光亮Cu，大部分为CuO
变浑浊
89
8
大部分光亮Cu
变浑浊
85
9
大部分光亮Cu
变浑浊
83
表4实验结果评分标准
实验结果
评分结果
全部光亮Cu，无CuO、C和Cu2O
100
全部光亮Cu，稍有CuO、Cu2O
90-99
大部分光亮Cu
80-89
小部分光亮Cu
70-79
无光亮Cu，大部分为CuO
60-69
表5正交试验法探究木炭还原氧化铜实验结果的处理
试验号
影响因素
结果评分
mc：
mcu（A）
木炭干燥时间（B）/h
混合物研磨时间（C）/min
反应器
1
1:
7
0
5
酒精灯
80
2
1:
7
0.5
10
酒精灯加细网罩
88
3
1:
7
1
15
酒精灯加粗网罩
89
4
1:
10
0
10
酒精灯加粗网罩
88
5
1:
10
0.5
15
酒精灯
90
6
1:
10
1
5
酒精灯加细网罩
93
7
1:
13
0
15
酒精灯加细网罩
89
8
1:
13
0.5
5
酒精灯加粗网罩
85
9
1:
13
1
10
酒精灯
83
K1
257
258
256
253
K2
271
263
259
270
K3
257
265
268
262
k1
85.7
86
85.3
84.3
k2
90.3
87.7
86.3
90
k3
85.7
88.3
89.3
87.3
极值R
4.6
2.3
4
5.7
主次顺序
D>A>C>B
优水平
A2
B3
C3
D2
优组合
A2B3C1D2
5.2实验结果讨论
5.2.1反应物质量比对实验结果的影响
由化学方程式计算，碳和氧化铜的质量之比为1:
13.3，在实际操作中，为得到较好效果不能按照这个比例进行实验。
但是比例过高，氧化铜不能完全反应，现象不明显；比例过低，碳粉有剩余，遮盖了铜的紫红色，需要一个适宜的比例范围。
本次实验所取范围为1：
（7-13），实验结果表明铜的质量比为1:
10效果最好。
5.2.2木炭干燥程度对实验结果的影响
木炭在恒温干燥，干燥可以除去水分使碳脱附增加其化学活性，实验证明，干燥时间越长，即干燥程度越高，使得碳活性越高，则实验效果越好。
5.2.3研磨时间对实验结果的影响
研磨时间影响的是木炭的颗粒大小，进而影响的是反应物的接触面积。
实验证明研磨时间越长，木炭颗粒越小，混合物的接触面积充分，反应进行的程度越高，效果越好。
5.2.4温度对实验结果的影响
对于酒精灯来说，不加罩的酒精灯、加上粗网罩、加上细网罩，其火焰温度依次升高，对于本实验来说高温易于引发反应且实验证明，用加上细灯罩加热的实验组效果比较明显。
5.3结论
对于木炭还原氧化铜实验，探究结果表明碳和氧化铜的质量之比为1:
10、加热温度越高（加细灯罩）、木炭干燥程度越高、研磨越充分效果越好。
5.4讨论
实验极值较小，表明各水平实验效果相差不明显，可能原因是对于研磨时间因素，可能由于研磨不是同一个同学研磨所致，致使差别不大。
可能是由于研磨过程中木炭在空气中吸水，还可能是灯罩老化不能很好聚集火焰温度等
6参考文献
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北京：
人民教育出版社，2006:
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72
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