提高木炭还原氧化铜成功率的方法

苏江红

(武汉华中科技大学同济医学院附属中学，湖北 武汉 430000)

提高木炭还原氧化铜成功率的方法

苏江红

(武汉华中科技大学同济医学院附属中学，湖北 武汉 430000)

将木炭粉与氧化铜粉末混合充分研磨，用酒精灯加热能发生剧烈的氧化还原反应，固体生成物可能全部或部分是暗红色粉末.利用新制得的反应物提高反应活性，控制好反应物比例，提升反应温度，使反应物能扩散穿过致密的产物层，顺利完成晶体生长反应，可生成红色光亮的金属颗粒.

木炭还原氧化铜；实验；成功率

木炭还原氧化铜是化学教学中的一个重要演示实验，但在课堂上完美呈现的成功率不高.通过多次实验，有如下几点认识.

一、如何判断木炭还原氧化铜的演示实验是否成功？

木炭还原氧化铜是一个放热反应，判断实验是否成功，有两个非常明显的实验现象：一是试管里的物质呈现出通红炽热的剧烈燃烧的现象；二是反应后的固体生成物是光亮红色金属颗粒或金属块.为了验证生成物中暗红色粉末与光亮红色金属颗粒或金属块的成分，进行了如下试验：

1.实验操作：取2支试管，第一支装入少许暗红色粉末，第二支装入光亮红色金属块，再分别往2支试管中加入约10mL稀硫酸，用酒精灯分别将两支试管微微加热2min.

2.实验现象：第一支加热后暗红色粉末明显减少且溶液由无色变为蓝色；第二支加热后亮红色的金属块没有明显变化且溶液依然呈无色.

3.实验结论：暗红色粉末含有较多氧化亚铜，而光亮红色金属颗粒或金属块是纯度较高的铜.

二、为什么要将反应固体混合物充分研磨？

木炭还原氧化铜是两种固体粉末间的反应，固体质点间作用力很大，运动范围小，反应很难进行.温度升高，晶格中的质点取得位移所必需的活化能后，就可克服周围质点的作用，在晶体内部进行位置的交换，也可扩散到晶体表面，并扩散到与之相接触的邻近的其它晶体内进行化学反应.这种固体间质点扩散的过程，就导致了固体间反应的发生.

将反应物混合充分研磨后，反应物的颗粒越小，它的比表面越大，物质扩散的截面越大，反应能力和扩散能力越强.研磨时间增大，细颗粒聚结形成二次颗粒，反而减小了表面积，调整了缺陷、缓和了应力，活性降低；二次粒子也会随继续研磨而破坏，使比表面积变化呈波浪型，过度研磨无作用.

三、为什么能观察到剧烈燃烧现象，固体生成物却不一定有光亮红色的金属颗粒？

反应开始生成的产物分子分散在母体反应物中,只能当作一种杂质或缺陷的分散存在,只有当产物分子达到一定数量, 才能出现产物的晶核,从而完成成核过程.当反应后固体生成物成为光亮金属颗粒时，试管口的棉花会呈焦糊状，若固体生成物是暗红色粉末，试管口的棉花没有出现焦糊状.说明用酒精灯加热可让反应发生并呈现剧烈燃烧现象，但要使反应物扩散并穿过致密产物层，让反应能够继续进行下去仅靠酒精灯加热无法实现，必须利用反应本身释放出大量的热量积聚来提升温度使反应继续.

四、如何利用反应释放出的热量让反应过程中的温度能进一步提升，使固体生成物成为光亮金属颗粒？

1.提升反应速率，单位时间内反应释放出更多的热量.

(1)新制得反应物与陈化后反应物反应性能不同，初生态反应物内部及表面缺陷结构多，晶格不完整，处于高能量活化状态，具有很大反应活性.随陈化时间增加，缺陷部分消失，活性会下降.

(2)反应物颗粒大小相同时，适度改变两种反应物的比例，就会改变反应物总表面积和扩散截面积的大小，从而加快反应速率.从理论上进行计算，当碳与氧化铜的质量比为3∶40(1∶13.3)时，二者恰好完全反应.

(3)用带防风罩的酒精灯对试管采用竖立式加热，提升加热效率，使反应物晶体中位移的质点获得更多的活化能，物质扩散速率加快，反应速率更快.

2.让反应释放出的热量集中于一处，使反应温度进一步升高.

取研磨好的固体粉末于小号试管中，用玻璃棒将固体粉末压紧压实，用带防风罩的酒精灯对试管采用竖立式加热.小号试管空间小，反应释放热量更集中，利于提升反应过程中的温度.将反应物粉末压紧压实，缩短了反应物颗粒间的距离，使反应物的接触面积和物质扩散的截面增大，原子扩散距离缩短，反应速率更快；也能使反应释放的热量更集中，反应过程中温度能继续升高，加快产物新核的形成速率以及核的生长和扩展速率，有利于固体生成物成为光亮的金属块.

五、实验操作

1.在整个实验过程中要保持所有实验器具洁净干燥，若研钵内壁有很难清洗的附着物，可加适量食盐充分研磨，再用水清洗干净后晾干备用.

2.取碱式碳酸铜粉末在坩埚中边加热边用玻璃棒缓缓搅动，能观察到表面的固体粉末因分解产生的气体冲出而运动，当粉末全部变成黑色且固体粉末表面完全平静表明反应完全，停止加热.

3.取几块木炭用研钵充分研磨，直到木炭粉中没有颗粒状木炭反光，将研磨好的木炭粉末置于坩埚中加热至无水汽冒出即可.

4.称取0.2g烘干的木炭粉和2.3g新制取的氧化铜粉末于研钵中，用力快速研磨5min.

5.取研磨好的固体粉末大约二分之一于小号试管中，用玻璃棒将固体粉末压紧压实，试管口塞一团棉花.刚开始加热时，反应物整体被缓缓推升，此时可轻轻敲击试管，使反应物整体下落到试管底部加热两分钟左右会出现剧烈燃烧的红热状态，反应结束后停止加热，关闭止水夹冷却至室温.不用将固体生成物从试管中倒出，学生能直接观察到试管底部的固体生成物有非常光亮的金属光泽.若反应结束后持续加热直到试管内红热现象褪去，试管底部可出现“铜镜”现象.

[1]汪兴源.木炭还原氧化铜实验的探讨[J].科学教育，1995(03).

2017-08-01

苏江红(1972.7-)，汉，男，湖北省松滋市，大学本科，中教一级，化学教育.

G632

A

1008-0333(2017)22-0092-02

责任编辑：季春阳]