化学教学论实验报告——木炭还原氧化铜

化学教学论实验报告——木炭还原氧化铜
化学系2011级化学2班 罗晗 10111550218
一、实验方程式、装置：
1、木炭还原氧化铜反应：C+2CuO ═高温
2Cu+CO 2↑
2、二氧化碳与澄清石灰水反应：CO 2+Ca(OH)2═CaCO 3↓+H 2O
3、实验装置：为固固加热的反应装置，由于在试验中将会产生大量的二氧化碳，所以盛有澄清石灰水的试管一般换成小烧杯，其效果会更明显。

二、实验注意事项：
1、实验准备过程中，应该将木炭和氧化铜粉末充分烘干，要将木炭加热烘干至产生小火星，将氧化铜粉末烘干至去除其中含有的水分，以防止木炭和氧化铜中含有水份，影响化学反应的发生和现象。

2、在烘干木炭和氧化铜时，使用蒸发皿。

蒸发皿和坩埚这一类的陶瓷制成的仪器，可以直接用酒精灯加热，不需要垫石棉网，在加热过程中要不断用玻璃棒搅拌，使其受热均匀，防止固体飞溅。

在烘干过程中，加热不要太久，因为在停止加热后蒸发皿的余热会继续烘干，使得木炭红热，与氧气发生反应，影响其参与还原氧化铜的反应。

此外，烘干时使用蒸发皿时，一定要用坩埚钳来移动蒸发皿，千万不可以用手，防止被蒸发皿烫伤。

3、待冷却后将木炭和氧化铜置于研钵中充分研磨，使其混合均匀，并成为更细的粉末，以利于还原反应的发生，更好地观察到实验现象。

4、将混合好的固体倒入试管后，要将试管底部在桌面上敲击几下，以夯实固体，使粉末紧密接触，增加反应接触面，以利于反应的发生，而不是像许多资料上说
的那样平铺固体于试管中，那样反而不利于反应的发生，可见查阅文献时要注意筛选正确的信息。

5、在加热固体前，一定要预热试管，使得其受热均匀，防止炸裂试管。

使用酒精灯加热试管时，应该调节酒精灯，使得其外焰包裹着试管底部，这样既能充分利用酒精灯的火焰温度，又能让试管接触到酒精灯温度最高的外焰，大大增加了加热效率。

6、在使用酒精灯时，首先要检查灯捻，用剪刀除掉烧焦部分，剪齐灯捻；其次，灯身内酒精，最多不要超过灯身的2/3，也不可过少；在拿掉灯盖或熄灭酒精灯时，一定扶好灯身，以免将酒精灯弄倒；也绝对不可用一盏酒精灯去点燃另一盏灯，否则容易着火；此外，万一灯内酒精洒出，使桌面或其它物体着火，不要慌张，要迅速用事前备好的湿抹布盖灭。

酒精灯使用的正确与否，直接关系到实验能否成功，所以一定要注意其正确使用方法。

7、当试管中固体加热一至二分钟后，固体中将会产生火花，火星四射，并且迅速产生大量的二氧化碳气体，使得烧杯中澄清石灰水变浑浊，并且烧杯上端产生大量白雾。

此时，应该先将烧杯中导管移出，再移开酒精灯，停止加热，防止澄清石灰水倒吸进试管。

此反应是放热反应，虽然需要高温条件下反应才能进行，但是高温只是提供一个使反应发生的条件，所以等反应开始后，要迅速移开酒精灯，停止加热。

8、待试管冷却后，再拆除装置，将试管中最后剩余的固体倒出来，防止生成的铜再次被氧化，在剩余的固体中，红色具有金属光泽的就是反应生成的铜粒，剩下的虽然也是红色，但是没有金属光泽的是氧化亚铜，在实验中，要尽可能避免氧化亚铜的生成，尽可能的多生成铜粒。

三、实验思考：
1、实验中难以直接观察到黑色粉末变红色这一现象，必须将试验后的固体倒出来观察才能看到红色铜粒，为什么？应如何改进？
答：在本实验中是采用经烘干的木炭粉末和氧化铜粉末共同加热来进行的，但氧化铜粉末从黑色变成红色这一实验现象在实际操作中往往难以观察，虽然木炭粉
末和氧化铜粉末的颜色是黑色，还原后的铜的颜色是红色，应该是很容易分辨的，但是，使用氧化铜粉末与碳粉混合物作为反应物，当木炭粉或氧化铜粉末过量时，实验后铜粉的红色都会被黑色所覆盖，很难观察到铜粉的颜色。

故而必须等混合物完全冷却后从试管中倒出，才能看到其中含有的星星点点的具有金属光泽的红色铜粒。

改进方法：将原实验中的氧化铜粉末改成表面覆盖有一层氧化铜的铜片进行实验，取一片长约7-8cm，宽约1cm的铜片，把表面可能存在的氧化物用砂纸除去，在酒精灯上加热，使之表面生成一层氧化铜，在一干燥的试管中装入一定量经过烘干处理的木炭粉末，把覆有氧化铜的铜片埋在木炭粉末里。

按固固加热的反应装置装配好仪器，加热，观察实验现象。

但是，改进方法也有缺陷，比如氧化铜附在铜片上，与木炭接触面积小，不利于反应的优先进行等。

所以，在实验中，还应该特别注意改进后方法与改进前方法的权衡和侧重。

2、烘干木炭粉除了除去水份，还有些什么作用？怎样改进烘干方法以更好地达到目的？
答：烘干木炭粉末的目的不仅仅是为了除去木炭粉末中含有的水份，还是为了增加木炭的活性。

但在常温下干燥木炭，只能去除其中的水分，使木炭的活性在一定程度上得到增强，还未能使木炭的活性恢复或增强到最佳状态，因木炭中吸附的有机物等杂质在常温下不能从木炭的孔道中脱附。

因此可以先用小火加热再用较大的火加热的方法来烘干木炭粉。

先用小火加热的目的是为了提高木炭和氧化铜的活性，并使其活性达到最佳状态，因为用小火加热，将木炭中吸附的水和低沸点有机物在100℃以下被气化除去，当温度上升至100℃—350℃时，有机物脱附，当温度上升至350℃以上时，有机物分解。

同时，在用小火加热过程中，混合物中混有的空气也有足够的时间，以气态释放出去，从而避免了木炭和空气中的氧气发生氧化反应而损耗，这是对木炭进行常温干燥所不能达到的效果。

如果一直用大火加热，由于木炭和氧化铜的混合，木炭中的孔道被堵塞，孔道中的有机物等杂质来不及挥发或炭化时间极短，残留的有机物炭化后未能形成孔道。

即在木炭的活性还未增强时，木炭已达到燃点而被大量烧失，从而影响了混合物中各组分的比例，致使实验结果较差或使实验失败。

但如果先用小火加热后，木炭
达到燃点的时间得到延长，有机物等杂质有足够时间挥发，并且在小火加热的后期逐渐炭化，当改用较大的火后，木炭孔道中的残留的有机物被很快炭化和气化分解，孔道进一步畅通，木炭的活性得以进一步恢复或增强，这就使氧化反应的速率大大加快，由于混合物已受小火较长时间的加热，试管中各处反应物的活性都得到均匀的增强，在用小火加热后，再改用较大的火加热时就不会发生使接触试管壁一面的混合物发生过热、产生喷涌现象。

所以，在试验中要特别注意烘干木炭粉的这一过程，看似不起眼，但是对化学反应的顺利进行起着十分重要的作用。

3、在试管中为什么会生成红色的氧化亚铜固体？怎样避免它的生成？
答：生成氧化亚铜固体的原因可能有两个：其一是由于木炭还原氧化铜的反应是放热反应，并且在反应开始之前进行了加热，所以反应时的温度会很高，而在一定的高温下,氧化铜会分解成氧化亚铜和氧气,这和Cu的金属性有关,比它金属
性强的一般就不分解,而比它弱的,则会分解成金属和氧气,如氧化汞的分解。

其二，则是由于氧化铜在高温下和木炭作用,铜是分步被还原的,所以在还原过程中,就有氧化亚铜生成,所以我们看到黑色的氧化铜全部转变成红色时,氧化铜未必
就完全还原了,里面很可能含有氧化亚铜，只有具有金属光泽的红色铜粒才是反应完全生成的铜，此处，哪怕木炭粉过量的情况,都未必可以使它完全转化,因为还有实验温度和时间等实验条件的影响。

为尽量避免氧化亚铜固体的生成，要在反应开始后迅速停止加热，防止氧化铜受热分解，同时，应该适当加大木炭粉的用量，并且让反应多进行一段时间，尽量避免氧化亚铜的生成。

4、怎样防止反应生成的铜再次被氧化？
答：在实验结束后，可以将导管从小烧杯中撤出，并用弹簧夹夹紧橡皮管，待试管冷却后再把试管里的粉末倒出，这样就可以避免空气中的氧气通过导气管进入试管中，与刚刚生成的还具有一定温度的铜粒发生氧化反应，使得铜再次被氧化。

此外，如果实验条件允许的话，还可以在试管中通入氮气，让实验在氮气氛围中进行反应，这样既可以防止氧气进入试管与铜发生氧化反应，更重要的是能够保证实验的安全，因为木炭还原氧化铜的实验中，有可能会产生一氧化碳，而一氧
化碳是易燃气体，与氧气一定比例混合加热会爆炸，所以之前通入氮气的可以去除其中的氧气，防止爆炸，使实验更加安全。

5、在本实验中，木炭与氧化铜的最佳质量比为多少？
答：查阅文献可知，理论上，木炭与氧化铜的质量比是12:159（即1:13.3），但若按此量，木炭的用量实际上会不足，因为试管中的空气会消耗一定量木炭，而且木炭也会有一些杂质，因而木炭用量要比理论值偏高，实验证明，如果用化学纯粉状氧化铜(CuO含量不低于98％)木炭还原氧化铜的最佳质量比应为木炭:氧化铜=1.0:10.6。

此外，反应物的总量也会影响实验效果，太多、太少均不好。

反应物颗粒要细，混合均匀，适度压实，使颗粒间紧密接触，目的是增大反应物的接触面，而且还要使反应物集中一些，那么反应时产生的热量就不易散失。

经过我们自己的实验探究表明，当木炭：氧化铜比例为1:5时，反应发生的时间为2分34秒；当木炭：氧化铜比例为1:7时，反应发生的时间为1分57秒；当木炭：氧化铜比例为1:10时，反应发生的时间为1分43秒。

可见，木炭：氧化铜比例为1:10时较为合适，印证了文献中的结论。

6、木炭还原氧化铜实验与一氧化碳还原氧化铜实验的联系及安全措施。

答：木炭和一氧化碳都具有还原性，二者在氧气中充分反应都将生成二氧化碳，即他们的氧化最终产物都是二氧化碳，木炭在氧气中不充分燃烧就会生成一氧化碳，仍然具有还原性。

在木炭还原氧化铜的实验中，由于氧气的量不足，但是又有一定量的氧气，所以高温条件下木炭很有可能氧化生成一氧化碳，一氧化碳再与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，为避免这种情况的发生，常常在木炭与氧化铜反应的试管中通入氮气，这样既可以避免生成的铜被氧化，还可以让避免生成一氧化碳，可燃性气体与氧气不充分混合发生爆炸，大大增加了实验的安全性。