正交法測定木炭還原氧化銅的最佳實驗條件報告書

1、設計實驗方案報告書開課學期 2014 至 2015 學年第 2 學期實驗項目：木炭還原氧化銅實驗設計學生姓名：井娟、李娜、李穎、劉絲路指導教師：楊國萍學號： 12060141009 、12060141011 12060141014、12060141015 專業(yè)：化學班級：化學教育完成日期： 2015 年 4 月 16 日實驗項目名稱：正交實驗法探究木炭還原氧化銅最佳實驗條件實驗計劃學時數(shù)： 8 課時學分數(shù)：所屬課程：化學教學論課程性質：探究實驗所屬實驗室：教法實驗室起止時間：第 7-8 周一、文獻綜述碳還原氧化銅是初中化學教材中的一個重要而又難做成功的演示實驗。該實驗的目的是向學生直觀說明 :

2、 單質的碳也像氫氣一樣 , 具有還原性 , 在較高的溫度下它能奪取某些氧化物里的氧 , 使其發(fā)生還原反應。該實驗成功的現(xiàn)象表現(xiàn)在三個方面: ( 1) 澄清石灰水變渾濁 ; ( 2) 反應有著紅熱現(xiàn)象 ; ( 3) 有光亮的塊狀銅生成。按照義務教育課程標準實驗教科書初中化學 實驗 6- 2 的方法進行實驗 , 該實驗成功率低 , 并且還原產物往往成磚紅色粉末狀, 得不到有金屬光澤的亮紅色銅塊, 達不到該實驗的教學目的。有資料指出，其實這種磚紅色物質是氧化亞銅而不是銅。但反應失敗時有的實驗者將磚紅色的氧化亞銅當作銅，致使學生產生誤解，影響了對反應實質的把握。有許多化學教學工作者都對這一反應進行了探

3、索，對各因素的影響也已進行了大量研究，但側重于單一參數(shù)變化對反應的影響。而各種因素對反應的影響大小不同，每種因素又可以有不同水平，這些因素水平之間又相互制約，因而簡單實驗并不能揭示各因素影響的大小。因此本實驗通過正交設計法對反應進行探索，欲找到此反應中各因素影響的大小及此反應的最佳實驗條件。一、火焰溫度。不同的溫度下反應結果不同，采用酒精燈罩改變火焰溫度二、是選擇適當?shù)姆磻镔|量比， 木炭和氧化銅的比例是關鍵。 按反應方程式計算，木炭和氧化銅的比例是1:13.2 ，考慮到木炭含有雜質，木炭應過量20% ，因此采用大約1:10 的比例。三、研磨時間。因為木炭和氧化銅都是固體，研磨時間不同，顆粒大

4、小就不同，接觸的表面積就不同，因此采用改變研磨時間來改變接觸面積。參考文獻：1 陳達輝 , 龍光宇 . 碳還原氧化銅的改進 j. 實驗教學與儀器, 1994, 6 (8): 41. 2 董耀華 . 碳還原氧化銅的實驗探討與改進 j . 教學儀器與實驗, 2000, 4 (11): 7. 3 王錦化 , 李暉 , 孫張珂 , 等. 高師實驗教學研究中碳還原氧化銅實驗的重新設計 j. 高校實驗室工作研究 , 2005, 12: 6-9. 4 錢亞兵 , 鮑正榮 . 碳還原氧化銅實驗研究 j. 實驗教學與儀器, 2003, 2 (9): 15- 17 5 李建生 , 化學儀器和實驗,2003,(8)

5、:31 6 楊紹武 , 化學教育 ,2009,30 （ 4）;72 二、實驗目標（一）知識與技能 (1) 通過實驗進一步認識木炭單質的還原性及該實驗的原理和操作技能； (2)了解正交實驗法的簡單應用，通過對本實驗的研究進一步培養(yǎng)研究、改進化學實驗的能力。（二）過程與方法 (1)通過一系列基本操作進一步掌握基本操作及相關注意事項； (2)通過正交實驗法探究本實驗成功的最優(yōu)化方案。（三）情感態(tài)度與價值觀產生對化學學科的熱愛，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度，感受科學發(fā)現(xiàn)的過程和所運用的方法，發(fā)展相互交流，共同協(xié)作的科學精神，初步具備創(chuàng)新意識。三、實驗儀器與試劑1. 表 1 實驗儀器名稱型號規(guī)格數(shù)量大試管

6、25mm*200mm 兩個鐵架臺帶鐵夾一個玻璃導管90兩個分析天平y(tǒng)p610n 一個膠塞4#單孔一個火柴一盒研缽配套研磨棒一個酒精燈一個酒精燈罩粗細網各一個橡膠管10cm 一個止水夾一個長柄藥匙兩個細銅絲200cm，400cm 各一個烘箱101a-1e 一個2. 表二實驗試劑四、實驗原理碳是一種具有還原性的非金屬。在一定條件下， 木炭具有還原性， 能在加熱的條件下奪取氧化銅中的氧， 使金屬氧化物還原為單質， 炭則生成炭的氧化物。 反應方程式為：c+2cuo=co2+2cu， 反應條件為高溫。該反應是固體與固體的反應，接觸不夠充分，所以需要增大反應物的接觸面積，所以要把混合物充分研磨。而要觀察到

7、二氧化碳氣體需要新制的澄清石灰水裝置，反應產生的氣體用澄清石灰水檢驗后若變渾濁，則有二氧化碳生成： c02+ca(oh)2=caco3+h2o。但影響該實驗的因素多達十幾種，如碳和氧化銅的配比、碳和氧化銅的類型、反應藥品干燥程度、 反應混合物用量、 反應溫度、反應器類型、 反應混合物粒度及混合程度、藥品填裝方式、反應物堆積形態(tài)等。本實驗通過正交實驗法對木炭還原氧化銅的最佳實驗條件進行探究找出影響實驗的主要因素（火焰溫度，木炭和氧化銅的質量比，反應研磨時間、烘干時間），并得到最佳方案。表 1 因素水平表mc:mcuo a 火焰溫度b 研磨時間/min c 烘干時間 /h d 1 1:10 酒精燈

8、0 0 2 1:12 酒精燈 +細網罩5 0、5 3 1:14 酒精燈 +粗網罩10 1 表 2 實驗安排表實驗序號mc:mcuo a 火焰溫度b 研磨時間 c 烘干時間d 1 a1 b1 c1 d1 名稱規(guī)格數(shù)量木炭一瓶氧化銅一瓶澄清石灰水一瓶因素水平2 a1 b2 c2 d2 3 a1 b3 c3 d3 4 a2 b3 c2 d1 5 a2 b2 c1 d3 6 a2 b1 c3 d2 7 a3 b2 c3 d1 8 a3 b3 c1 d2 9 a3 b1 c2 d3 五、實驗內容5.1 實驗前準備工作將儀器在 120烘箱中干燥 1h。將炭研細，備用。5.2 檢驗裝置的氣密性。如下圖安裝好

9、儀器， 用手捂住試管， 觀察導管處有氣泡冒出， 松開試管并稍等片刻，觀察到導管有一小段上升的水柱，證明裝置氣密性良好。5.3 設計正交試驗表，按表格進行實驗。5.4 反應物的稱取。按表格所給的比例稱取木炭和氧化銅粉末，先將純木炭裝入試管底部，在裝入氧化銅粉末，混合后壓緊并夯實。按所給條件選取適當溫度進行加熱。5.5 在右側試管中加入30ml 澄清石灰水，點燃酒精燈，加熱。片刻后將導管深入澄清石灰水液面下。開始反應。5.6 待石灰水中沒有氣泡冒出至反應完畢后，先用彈簧夾家住導氣管的膠皮管，圖 1 木炭還原氧化銅裝置圖再撤去澄清石灰水中的導管，最后熄滅撤去酒精燈。待裝置冷卻后，拆分實驗裝置。5.7

10、 洗滌儀器，放回原位。六、結果與討論1、實驗結果記錄序號試管內現(xiàn)象燒杯內現(xiàn)象評分1 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 64 2 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 69 3 小部分是 cu 澄清石灰水變渾濁 79 4 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 66 5 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 60 6 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 68 7 小部分是 cu 澄清石灰水變渾濁 70 8 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 60 9 無光亮的 cu ，大部分是 cu

11、2o 澄清石灰水變渾濁 63 2、實驗結果評分標準實驗結果評分結果全部生成光亮的銅，無cuo 、c和 cu2o 100 幾乎全部有生成光亮的銅，稍有cuo 和 cu2o 90-99 大部分是 cu 80-89 小部分是 cu 70-79 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 60-69 3、正交實驗法探究木炭與氧化銅實驗結果的處理容易看出，影響因素的主次順序為cabd。即研磨時間木炭與氧化銅質量比火焰溫度烘干時間。經過上圖可直觀比較各因素的k1,k2 和 k3，可以看出，對木炭與氧化銅質量比， 最好的實驗編號影響因素結果評分a b c d 1 a1 b1 c1 d1 64 2 a1 b2 c2

12、 d2 69 3 a1 b3 c3 d3 79 4 a2 b3 c2 d1 66 5 a2 b2 c1 d3 60 6 a2 b1 c3 d2 68 7 a3 b2 c3 d1 70 8 a3 b3 c1 d2 60 9 a3 b1 c2 d3 63 k1 212 195 184 200 k2 194 199 198 197 k3 193 205 217 202 k1 70.6 65.0 61.3 66.6 k2 64.6 66.3 66.0 65.6 k3 64.3 68.3 72.3 67.3 r 6.3 3.3 11.0 1.7 實驗結果為 a1，對火焰溫度最好實驗結果為b3，對研磨時間最好的實驗結果為c3 ，對木炭烘干時間最好的實驗結果為d3。 因此綜合九次實驗結果來看， 木炭還原氧化銅的最好實驗條件為a1.b3.c3.d3，也就是木炭與氧化銅質量比為1：10，火焰加熱溫度為酒精燈加粗網罩，研磨時間為10min，木炭烘干時間為1h。七、實驗中可能存在的問題及解決方法6.1 反應完畢加熱不能立即停止，應逐漸停止加熱，否則因冷卻而進如試管的氧氣會重新氧化產物銅的表面，使其顏色發(fā)暗。6.2 本實驗加熱的