碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)探究講授提要

1、木碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化講授提要第一部分木碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)基本理論一、現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)及存在的問(wèn)題1.現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)方法：( 初中化學(xué)教材人教2012 版 p110)把剛烘干的木炭粉末和氧化銅粉末混合均勻， 小心地鋪放進(jìn)試管，并將試管固定在鐵架臺(tái)上。試管口有通入澄清石灰水的導(dǎo)管，用酒精燈（可加網(wǎng)罩以使火焰集中并提高溫度，最好使用酒精噴燈）加熱混合物幾分鐘。然后先撤出導(dǎo)氣管， 待試管冷卻后再把試管里的粉末倒在紙上。觀察現(xiàn)象并分析。 裝置圖如下：2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象該實(shí)驗(yàn)成功的現(xiàn)象有三個(gè)方面： (1)反應(yīng)有著劇烈的 “紅熱現(xiàn)象 ”； (2) 有光亮的紫紅色塊狀或顆粒狀固體生成； (3) 澄清石灰水變渾濁。三現(xiàn)象缺一不

2、可， (1)證明了反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，也是實(shí)驗(yàn)成功的首要標(biāo)志， (2)和 (3)分別證明了 Cu 和 CO2 的生成。 張翼 , 黎國(guó)蘭 .碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化探究J. 綿陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2008,27(8):58-613.實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題：“木炭還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)是初中教材中的難點(diǎn),也是所有演示實(shí)驗(yàn)中成功率最低的一個(gè)。在實(shí)際的教學(xué)中主要存在如下六個(gè)方面的問(wèn)題。蘇秀芳 . 對(duì)炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的探討J. 南寧師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2002,19(3):79-80（ 1）難以看到 “紅熱現(xiàn)象 ”；（ 2）常常產(chǎn)生磚紅色固體，而非光亮的紫紅色塊狀或顆粒狀固體；（ 3）反應(yīng)產(chǎn)物中夾雜黑色物質(zhì)；（ 4）

3、一些中學(xué)無(wú)酒精噴燈，用酒精噴燈加熱時(shí)，試管易變形，費(fèi)時(shí)，噪音大；（ 5）石灰水易倒吸，使試管破裂；（ 6）生成物中 CO 的隨意排放可能帶來(lái)健康危害。其中（ 1）和（ 2）兩個(gè)問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)最難于解決的問(wèn)題。1.C+2CuO=Cu 2O+CO.(1)CO+Cu 2O=2Cu+CO 2(2)C+2CuO=2Cu+CO 2.(3)C+O 2=CO 22C+O2=2COCuO+CO=Cu+CO 2C+CO 2 =2CO2CO+O 2=2CO2“ ” 1026C+2CuO=Cu 2O+CO.(1)rH0m(298K)=35.475KJCO+Cu 2O=2Cu+CO 2(2) rH0m(298K)=-114

4、.384KJCO+CuO=Cu+CO 2(3) rH0m(298K)=-125.681KJ CO2COH2“ ” 10262CuO=Cu 2O+1/2O 2.(4)rH0m(298K)=146.000KJ2C+O2=2CO.(5)rH0m(298K)=-221.050KJCO+Cu 2O=2Cu+CO 2(6)CO+CuO=Cu+CO 2(7)2. 1026階段反應(yīng)體系溫度主要反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象特點(diǎn)第一C+2CuO=Cu 2O+CO無(wú)“紅熱 ”、暗紅色粉速率慢，轉(zhuǎn)化率小、維持1026以下CO+Cu2 O=2Cu+CO 2階段末、少量氣體時(shí)間約 12min 左右CO+CuO=Cu+CO 21026 1

5、083.42CuO=Cu 2O+1/2O2“紅熱 ”、網(wǎng)狀銅、大第二2C+O 2=2CO量氣體速率快，轉(zhuǎn)化率大，維持階段大于 1083.4CO+Cu2 O=2Cu+CO 2“紅熱 ”、銅珠、大量時(shí)間共約數(shù)秒CO+CuO=Cu+CO 2氣體在第一階段， 加熱下 C 與 CuO 在吸收熱能后發(fā)生反應(yīng)生成Cu2 O 和 CO，CO 再與 Cu2O生成 Cu 和 CO2，并放出熱量，使反應(yīng)體系溫度進(jìn)一步升高，許多不成功的實(shí)驗(yàn)往往停留在第一階段。實(shí)驗(yàn)是否成功主要由這一階段的溫度提升情況決定。若反應(yīng)量大，反應(yīng)速率大，提供的熱能大，散熱少，溫度容易提高到 1026而進(jìn)入第二階段。因此提高反應(yīng)量，有效提供熱能

6、及減小散熱是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的基本思路。在第二階段， CuO 獲得能量在1026分解為Cu2O 和 O2，此時(shí)， C 與 O2 發(fā)生不完全燃燒生成 CO，紅熱過(guò)程實(shí)質(zhì)是C 的不完全燃燒過(guò)程，然后CO 還原 Cu2O 為 Cu，反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量進(jìn)一步提升溫度，如果溫度處在銅熔點(diǎn) 1083.4以下?！凹t熱” 后得到的是網(wǎng)狀銅，如果體系溫度高于 1083.4，得到銅珠。銅珠的出現(xiàn)，是由于表面張力的作用致使液態(tài)Cu冷卻后成比表面最小的球狀。三、紅熱前反應(yīng)的熱力學(xué)分析在不同溫度下的熱力學(xué)函數(shù)數(shù)值溫度 rH0mrG0m rS0m方程式（ K ） （ KJ?mol-1） （KJ?mol-1） （ KJ?mol-1

7、）29833.1900-25.1690200.7030C+2CuO=Cu 2O+CO100025.1674-163.6691188.8365298-116.3040-114.8150-11.5580CO+Cu 2O=2Cu+CO 21000-119.0595-101.3980-17.6615298-83.1140-139.9840189.1450C+2CuO=2Cu+CO21000-93.8921-256.0671171.1750木碳還原氧化銅是分為兩步進(jìn)行的。(1) 式和 (2)式在298K 、 1000K的 rG0m均小于零，兩個(gè)反應(yīng)都有自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)。rH0m 表明，(1)式為吸熱反應(yīng)，

8、(2) 式為放熱反應(yīng)，總反應(yīng)為放熱反應(yīng)。升高溫度有利于(1) 式反應(yīng)的進(jìn)行。對(duì)于C 還原CuO實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵是要引發(fā) (1)，即需要較高的溫度使反應(yīng)物升溫迅速達(dá)到(1) 的活化溫度。(2) 式反應(yīng)放出的熱量進(jìn)一步提升體系溫度，進(jìn)一步加速了(1) 式和 (2)式反應(yīng)。相關(guān)物質(zhì)物理化學(xué)參數(shù)相對(duì)分溶解性熔點(diǎn)密度名稱分子式顏色、狀態(tài)子質(zhì)量（ g）（）（ g/cm 3）氧化銅石墨木炭碳酸氫鈉堿式碳酸銅銅氧化亞銅二氧化碳一氧化碳黑色至棕黑色無(wú)CuO79.55定形或結(jié)晶粉末黑灰色無(wú)定形粉C12.0末深褐色或黑色多C12.0孔固體NaHCO 384.01白色細(xì)小晶體草綠色的單斜系結(jié)晶纖維狀的團(tuán)Cu 2(OH) 2

9、 CO 3221.12狀物，或深綠色的粉狀物紫紅色光澤的金Cu63.55屬Cu 2O143.09紅色結(jié)晶性粉末CO244無(wú)色無(wú)味氣體無(wú)色無(wú)味的有毒氣CO28.01體，空氣中爆炸極限 12.5% 74%1026 分不溶6.315解3000以不溶1.92.3上不溶1.3 1.47.8270 2.159（ 18 ）220 時(shí)不溶于水3.85 分解不溶1083.48.92不溶12356.0可溶-56.61.98 g/L難溶-2071.250 g/L木炭灰分含量在6%以內(nèi)，孔隙占木炭體積7%以上。CuO：熔點(diǎn) 1326，不溶于水。 溶于稀酸， 氰化鉀與碳酸銨溶液，緩慢溶于氨水。 在 1026 以上分解為

10、氧化亞銅與氧氣，加熱時(shí)易被氫、碳、一氧化碳、氨等還原為銅?？捎米髦撇ＡЩ虼善鞯闹珓?(藍(lán)色或綠色 )、有機(jī)合成的催化劑、油類的脫硫劑，還用于氣體分析。由碳酸銅或硝酸銅受熱分解制得。四、動(dòng)力學(xué)分析 影響反應(yīng)速率的主要因素及可采取的措施思考幾個(gè)問(wèn)題： 1.為什么有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是光亮的銅珠?而有的是網(wǎng)狀Cu?2.為什么有的實(shí)驗(yàn)無(wú)法產(chǎn)生 “紅熱 ”現(xiàn)象，而有的甚至采用酒精噴燈也無(wú)“紅熱 ”現(xiàn)象？ 3.磚紅色產(chǎn)生的原因是什么？ 4.最好結(jié)果的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么？5.本實(shí)驗(yàn)為什么會(huì)產(chǎn)生“紅熱 ”現(xiàn)象？1.反應(yīng)體系的溫度反應(yīng)體系的溫度越高，反應(yīng)越容易進(jìn)行，溫度是決定實(shí)驗(yàn)成功的決定性因素。對(duì)于固-固反應(yīng)， 通常具

11、有很高的活化能，升高溫度不僅能提供反應(yīng)所需活化能，同時(shí)可提高固相質(zhì)點(diǎn)的傳質(zhì)速率，從而加速反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室常用的加熱器中，酒精燈加熱溫度可達(dá)400-500（外焰溫度可達(dá)610）；加防風(fēng)罩酒精燈，加熱溫度可達(dá)500-600（外焰溫度可達(dá)700）；酒精噴燈加熱溫度可達(dá)700-900。如果僅靠這些加熱器提供的熱能，是無(wú)法達(dá)到產(chǎn)生紅熱現(xiàn)象的1026的，實(shí)驗(yàn)的成功是要依靠反應(yīng)（2）提供的反應(yīng)熱來(lái)提升溫度。提高反應(yīng)溫度可采取如下措施：（ 1）選用適宜的加熱器。驗(yàn)室常用的加熱器有由于酒精噴燈的一些弊端，選擇防風(fēng)罩酒精燈最為適宜。（ 2）增粗燈芯及適度增長(zhǎng)燈芯外露部分，增大燈焰 賈玉江，賈華娜 .木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)

12、教學(xué)研究 J. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2005，（ 1， 2）： 64（ 3）選擇適宜的固體總量。溫度能否達(dá)到1026而出現(xiàn)“紅熱”現(xiàn)象，取決于三個(gè)方面：供熱升溫速率、散熱降溫速率及反應(yīng)放熱升溫速率。只有供熱升溫速率與反應(yīng)放熱升溫速率之和大于散熱降溫速率，升溫才能有效進(jìn)行。固體總量越多，供熱升溫速率越低，因此，引發(fā)紅熱時(shí)間隨固體總量的增加而延長(zhǎng)，當(dāng)固體總量過(guò)高時(shí)，堆積體上下溫差越大，容易出現(xiàn)局部“紅熱”現(xiàn)象，甚至不能發(fā)生“紅熱”現(xiàn)象。固體總量過(guò)低時(shí)，反應(yīng)放熱少，而升溫對(duì)象不僅僅是反應(yīng)物，還包括試管及管內(nèi)空氣，使溫度不能達(dá)到1026，無(wú)“紅熱”現(xiàn)象。固體總量過(guò)高或過(guò)低，實(shí)驗(yàn)都看不到“紅熱”現(xiàn)象，固

13、體總量在1.02.6g 范圍內(nèi)都能看到“紅熱”現(xiàn)象， 1.3g 左右時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短且現(xiàn)象佳。反應(yīng)物總量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響松木炭研磨 5min， 110干 2h， m(CuO)/ m(C)=10.5 ，混合研磨 5.5min混合物質(zhì)量 /g0.32850.65701.05121.31401.57681.9710 2.6280 5.2560引發(fā)紅熱時(shí)間無(wú)紅熱無(wú)紅熱1'15"1'16"1'45"1'53"2'19"無(wú)紅熱紅熱時(shí)間9"5"7"6"7"大量黑粉末大量黑粉末

14、紫紅色光紫紅色光紫紅色光大銅珠夾大量黑產(chǎn)物性狀?yuàn)A少量暗紅夾少量暗紅網(wǎng)狀銅色色亮小銅珠亮大銅珠亮大銅珠黑色粉末色粉末溫度相對(duì)高低+（ 4）固體平鋪厚度均勻，并全部落在火焰范圍，有利均勻升溫。（ 5）平鋪固體用玻棒壓實(shí)，有利傳熱。（ 6）試劑烘干，減少水分及炭表面的吸附氣體，有利于加快體系升溫。2碳的來(lái)源或種類在研究報(bào)告中出現(xiàn)的炭的種類繁多，大體包括活性炭，試劑碳粉，石墨碳，市售木炭，及自制木炭。其中，市售木炭又包括不同木材制得的木炭，如栗木炭、椰殼碳、杉木碳、松樹碳、青杠樹碳等。 自制木炭包括火柴桿或一次性筷子干餾制得的炭，土豆或白薯燒制的炭，蔗糖或葡萄糖被濃硫酸脫水制得的碳等。研究報(bào)告普遍認(rèn)為

15、新鮮市售木炭、一些自制木炭具有更好的實(shí)驗(yàn)效果。大多數(shù)種類的炭，是通過(guò)有機(jī)物的干餾所獲得，由于干餾有機(jī)物種類、干餾溫度、 干餾時(shí)間的不同， 炭放置場(chǎng)地及放置時(shí)間的不同，炭的性質(zhì)是差異很大的，其中也包括影響本實(shí)驗(yàn)的炭的組成、硬度、晶體缺陷及新鮮度等。(1) 炭的組成炭由全水分、固定碳、揮發(fā)分、灰分組成?；曳质嵌喾N金屬氧化物和機(jī)鹽，對(duì)于木炭來(lái)說(shuō)，灰分通常不大于6%。揮發(fā)分是CO、 CO2、H2 、CH4 及其它不凝性氣體產(chǎn)物，來(lái)自于炭中未炭化有機(jī)物（脂肪族碳鏈及連接在類石墨微晶邊緣上的含氧官能團(tuán)和氫）的熱解。 揮發(fā)分的測(cè)定是將炭放在高溫爐中隔絕空氣加熱到850（可理解為炭的再次干餾）測(cè)定，炭還原氧化

16、銅實(shí)驗(yàn)加熱過(guò)程與揮發(fā)分測(cè)定的加熱過(guò)程類似，因此，炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生上述氣體，其中的CO、 H2 對(duì) CuO 的還原可能起一定的作用。木材干餾產(chǎn)生木煤氣，木煤氣占干木材質(zhì)量的1618% ，其中 CO2 ： 4050% ， CO：2535% ，CH4 ： 15%， H2 ： 0.52.5%。固定碳是炭中固有單質(zhì)碳與再次干餾后生成的單質(zhì)碳及少量氫、氧元素之總和， 炭還原還原氧化銅實(shí)驗(yàn)中起主要作用的是固定碳，按照“木炭和木炭試驗(yàn)方法” （ GB/T17664-1999 ），合格的木炭其固定碳65%，不同來(lái)源炭的組成木炭名稱全水分 /%固定碳 /%揮發(fā)分 /%灰分 /%灰燼性狀柑子樹木炭4.096

17、7.7726.825.41灰白色網(wǎng)狀柏樹木炭5.2774.0723.582.35灰色顆粒桉樹木炭4.7376.5721.142.29灰白色海綿狀白楊樹木炭4.6777.4618.773.77白色網(wǎng)狀活性炭6.2280.787.3911.83灰白色顆粒物松樹木炭6.0981.0417.421.54灰白色海綿狀青岡木炭5.1081.7416.531.73灰色顆粒機(jī)制炭5.1683.7710.675.56卡其色粉末試劑石墨炭粉0.6295.264.390.35灰色粉末表 2 可見(jiàn)，不同來(lái)源的炭其組成差異很大。理論上講， 固定碳含量越高， 對(duì)實(shí)驗(yàn)越有利?；曳趾吭礁?， 阻隔作用使單質(zhì)碳與氧化銅之間的接

18、觸面越低，反應(yīng)速率越低，同時(shí)，灰分的升溫過(guò)程會(huì)消耗一定的熱能，降低了熱量利用率，不利于反應(yīng)溫度的提升。因此，在木炭還原氧化銅中應(yīng)選擇灰分含量低的炭。(2) 炭的硬度、晶體缺陷濃度炭的硬度越大，研細(xì)炭越困難，碳和氧化銅之間的接觸面越低，越不利于固相反應(yīng)。木炭的硬度無(wú)法輕易改變，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選擇硬度小的木炭。實(shí)際晶體都存在晶體缺陷，晶體缺陷包括點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷及體缺陷。不同來(lái)源的固體材料其晶體缺陷濃度不同，晶體缺陷濃度通常隨溫度的提高而增大。晶體缺陷濃度越大，材料研磨后的粒度越小。即便炭研磨很細(xì)，顆粒表面質(zhì)點(diǎn)占固體總質(zhì)點(diǎn)的比例也極小。如果沒(méi)有固相內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)和外部其它質(zhì)點(diǎn)的相互傳質(zhì)遷移，固體反應(yīng)是

19、難以有效發(fā)生的，固體反應(yīng)不僅僅發(fā)生在固相接觸的表面。 晶體缺陷為質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)外部傳質(zhì)遷移提供了可能，晶體缺陷濃度越高，質(zhì)點(diǎn)傳質(zhì)擴(kuò)散速率越大，固體反應(yīng)速率越大。晶體缺陷濃度是材料的固有屬性，通常，具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的固體，有較高的晶體缺陷濃度，因此，應(yīng)選擇具有疏松多孔結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)木炭為宜。炭研磨后的粒度大小是由炭硬度、晶體缺陷濃度及解理性綜合決定。石墨炭粉顆粒本身極細(xì)就主要是由于其具有很好解理性。炭研磨后的粒度越小，C 與 CuO 的接觸面越大，越有利于固相反應(yīng)的發(fā)生。表5 表明，經(jīng)過(guò) 5min 研磨的木炭，70% 以上的顆粒大于200 目，其中機(jī)制炭、青岡木炭、活性炭大于200 目顆粒較少。這一結(jié)果與

20、研磨過(guò)程中的手感一致。不同來(lái)源木炭研磨后粒度差異質(zhì)量分?jǐn)?shù) 200100-200 60-10060目/%目 /%目/%目 /%松樹木炭85.97.05.02.1桉樹木炭82.48.36.03.3白楊樹木炭87.29.51.02.4柏樹木炭85.48.22.93.4柑子樹木炭82.311.53.72.5機(jī)制炭73.514.73.97.9青岡木炭69.918.96.34.9活性炭75.114.05.25.8研磨時(shí)間越長(zhǎng)，顆粒越小。研磨時(shí)間以10min 為宜，其后的研磨對(duì)顆粒的減小貢獻(xiàn)不大。研磨時(shí)間對(duì)粒度的影響松木炭研磨時(shí)200 100-200 60-100 60間 t/min目/%目/%目/%目 /

21、%349.36.68.735.4564.07.57.720.8875.711.27.16.01085.97.05.02.11587.97.33.31.52090.06.62.70.7(3) 炭的含水率及新鮮度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響木炭含水率通常在6%以下，在m(CuO)/ m(C) 一定的情況下，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)炭是否炭烘干幾乎無(wú)影響，即便在烘干、研磨、混勻的炭與氧化銅混合物中加水至含水率達(dá)22%，實(shí)驗(yàn)依然成功，只是引發(fā) “紅熱” 的時(shí)間延遲12 S。但是木炭中過(guò)多水分會(huì)影響研磨效果，因此，研磨前應(yīng)將木炭烘干。長(zhǎng)期存放的炭， 表面會(huì)吸附空氣中的氣體，理論上表面雜質(zhì)的存在會(huì)阻礙碳與氧化銅的有效接觸， 但表面雜質(zhì)質(zhì)

22、點(diǎn)的量相對(duì)與碳的質(zhì)點(diǎn)來(lái)說(shuō)微不足道，且加熱過(guò)程中雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)揮發(fā)逸散，理論和實(shí)驗(yàn)都表明，炭的新鮮度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響不大。這一分析被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。在一些教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中， 無(wú)論怎么改變反應(yīng)物的配比及提高反應(yīng)溫度 （甚至使用酒精噴燈加熱，試管已灼燒變形 )也看不到紅熱現(xiàn)象。其原因主要是炭種類選擇不當(dāng)。而在相同條件下，改變炭的種類，實(shí)驗(yàn)卻非常容易成功，因此，炭的種類是影響實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素之一。不同來(lái)源炭之間的比較m( 木炭 )=0.114 g，m(CuO)=1.200 g，t(混合研磨 )= 5.0 min炭的種類柏樹木炭白楊樹木炭桉樹木炭松木炭柑子樹木炭青岡木炭紅熱前時(shí)間 /s1'17"1

23、9;34"1'17"1'16"1'36"1'43"紅熱時(shí)間 /s475589紅熱前出水體積 /mL362228273638反應(yīng)后出水總體積 /mL172172161174165167紅熱前出水體積 /反應(yīng)20.9%12.8%17.4%15.5%21.8%22.8%后出水總體積CuO 的轉(zhuǎn)換率 /%98.398.392.0199.4394.2795.41顆粒銅夾黑紫紅色光亮銅紫紅色光亮銅紫紅色網(wǎng)狀產(chǎn)物性狀紫紅色銅珠紫紅色網(wǎng)狀銅色粉末珠（?。┲椋ù螅┿~實(shí)驗(yàn)中以排出水的體積近似代表氣體產(chǎn)生量， 則 “紅熱 ”前出水體積

24、與反應(yīng)后出水總體積的比值（表 1）反映了 “紅熱 ”前反應(yīng)物轉(zhuǎn)化的程度，該值隨炭的種類不同而有所差別，范圍在 12.8%22.8%（平均值為 18.5%），“紅熱 ”前加熱用時(shí) 1'17"1'43" （平均值為 1'27" ），而維持紅熱的時(shí)間為 4"9" （平均值為 6.3" ）。這意味著 “紅熱 ”前反應(yīng)物轉(zhuǎn)化程度低，且用時(shí)長(zhǎng)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在紅熱期間， 平均有 81.5%的反應(yīng)物是在該期間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化， 且用時(shí)短。依據(jù)這些數(shù)據(jù)粗略計(jì)算可知，“紅熱 ”期間的平均反應(yīng)速率大約是“紅熱 ”前平均反應(yīng)速率的61

25、(81.5%/6.3")/(18.5%/87")=61倍。表中木炭都能實(shí)現(xiàn)紅熱現(xiàn)象，其中青岡木炭成功率相對(duì)較低，無(wú)法看到紅熱現(xiàn)象。結(jié)論：應(yīng)選擇密度小、硬度小、具有疏松多孔結(jié)構(gòu)的木炭。而石墨、 機(jī)制炭、活性炭3氧化銅的來(lái)源在研究報(bào)告中，氧化銅的來(lái)源主要有兩類，一是試劑氧化銅粉末（分析純或化學(xué)純），二是通過(guò)堿式碳酸銅或硫酸銅或硝酸銅加熱分解自制氧化銅。理論上，氧化銅的含量越高，粒度越小，晶體缺陷濃度越大，越有利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。不同來(lái)源的氧化銅的含量差異不大，含量都很高， 因此， 氧化銅來(lái)源差異對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響主要通過(guò)粒度差異和晶體缺陷濃度差異所導(dǎo)致。從已有的研究報(bào)告看，氧化銅的來(lái)源差

26、異對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響并非特別顯著。因此，氧化銅的來(lái)源不是影響實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素。4.氧化銅與炭的比例理論上， 氧化銅與碳反應(yīng)的理論質(zhì)量比 m(CuO)/m(C) 為 13.3。由于炭中雜質(zhì)的存在及多個(gè)副反應(yīng)的發(fā)生需要消耗一定的碳， 實(shí)際的 m(CuO)/m(C) 總是小于 13.3。從大量研究報(bào)告看，m(CuO)/m(C) 在很寬泛的范圍內(nèi)（ 13.3-4.0）都能實(shí)現(xiàn)紅熱現(xiàn)象 葉久德 .碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)研究 J.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2013，（ 4）： 34-35，因此，氧化銅與炭的比例不是影響實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素。在研究報(bào)告中， m(CuO)/m(C) 的最佳值大多出現(xiàn)在1012 之間，又以 11.5

27、 左右出現(xiàn)的頻率最高。在最佳值，通常的現(xiàn)象是產(chǎn)生銅珠或網(wǎng)狀銅，無(wú)黑色物質(zhì)。高于最佳值，往往出現(xiàn)紅色粉末，這是 CuO 相對(duì)過(guò)量，產(chǎn)生更多Cu2O 有關(guān)。而低于最佳值的附近，往往出現(xiàn)顆粒銅和夾雜少量黑色粉末，偏離最價(jià)值越遠(yuǎn)，顆粒銅越少 ，黑色粉末越多， 甚至不能發(fā)生紅熱現(xiàn)象。黑色粉末顯然是碳過(guò)量所導(dǎo)致。CuO 與 C 的混合比例對(duì)產(chǎn)物性狀的影響松木炭， m(CuO)=1.200 g ， t(混合研磨 )= 5.0 minm(CuO)紅熱前紅熱紅熱前出水反應(yīng)后出水產(chǎn)物性狀產(chǎn)物中 Cu2OCu2 O產(chǎn)/m(炭)時(shí)間時(shí)間體積（ mL）總體積 (mL)質(zhì)量（ g）率/%9.01'36"

28、8"41189小銅珠夾大量黑色粉末0.04634.2910.01'11"6"42186大銅珠夾少量黑色粉末0.05865.4310.51'15"5"50188紫紅色光亮大銅珠0.06455.9711.01'21"6"43187紫紅色光亮小銅珠0.123111.4011.51'17"6"38185紫紅色光亮小銅珠0.176916.3812.01'11"7"38178網(wǎng)狀銅夾少量暗紅色粉末0.214519.8613.01'31"9&

29、quot;38155網(wǎng)狀銅夾大量暗紅色粉末0.242422.4414.01'20"8"31141網(wǎng)狀銅夾大量暗紅色粉末0.267824.8015.01'13"27"3575暗紅色粉末0.287026.57木炭還原氧化銅最佳的產(chǎn)物性狀應(yīng)該是出現(xiàn)紫紅色光亮銅珠 （網(wǎng)狀銅也可接受） ，且無(wú)黑色和暗紅色雜質(zhì)。表可知，隨著 m(CuO)/ m(C) 比值的增加，還原產(chǎn)物銅從大銅珠變?yōu)樾°~珠，再變?yōu)榫W(wǎng)狀銅；比值小于 10.5 時(shí)，黑色粉末隨比值增大而減少；暗紅色粉末是在比值大于 11.5 后出現(xiàn)，隨比值增大而增多。這一現(xiàn)象在其它研究報(bào)告及本課題組用桉

30、樹木炭的研究結(jié)果中同樣出現(xiàn)，因此，這是一個(gè)沒(méi)有被其它研究者所認(rèn)識(shí)到的共同規(guī)律。最佳性狀對(duì)應(yīng)的比值前出現(xiàn)的黑色粉末是由于木炭過(guò)量所導(dǎo)致，且過(guò)量越多，產(chǎn)物中黑色粉末越多；暗紅色粉末應(yīng)當(dāng)是 Cu2O 與過(guò)量 CuO 的混合物，且 CuO 過(guò)量越多，產(chǎn)物中暗紅色粉末越多。為什么產(chǎn)物中Cu 的狀態(tài)既有銅珠和網(wǎng)狀銅之分？銅珠還有大小之分？這其實(shí)都和反應(yīng)“紅 熱”后混合物的溫度高低有關(guān)。如果“紅熱”后混合物溫度不高（溫度處于 1026 1083.4或略高于 1083.4），還原產(chǎn)物 Cu 不能熔融或熔融量很少， Cu 不能流動(dòng)而固定于原來(lái)位置，得到的就是網(wǎng)狀銅。如果 “紅熱 ”后混合物溫度高于 1083.4

31、，且熔融量相對(duì)較多，液態(tài)銅流動(dòng)聚集，后冷卻凝結(jié)變形成銅珠，且溫度越高，熔融銅越多，形成的銅珠越大。因此， Cu 的狀態(tài)代表了 “紅熱 ”后混合物的溫度高低，出現(xiàn)大銅珠時(shí) “紅熱 ”達(dá)到的溫度最高，其次是小銅珠，溫度最低的是出現(xiàn)網(wǎng)狀銅。C 與 CuO 的混合比例會(huì)影響“紅熱 ”后混合物的溫度。 當(dāng) CuO 不過(guò)量時(shí)， “紅熱 ”時(shí) C 的不完全燃燒產(chǎn)生的熱量及CO 還原 Cu2O、CuO 產(chǎn)生的熱量， 可使混合物升溫并導(dǎo)致單質(zhì)Cu熔融。但 CuO 過(guò)量時(shí)，一部分熱量用于過(guò)量CuO 的熱分解，降低了混合物的升溫高度及Cu 的熔融量，且 CuO 過(guò)量越多，這種影響越大。因此，C 與 CuO 的混合物

32、中， CuO 的比例越高， “紅熱 ”后混合物的溫度越低，導(dǎo)致產(chǎn)物銅出現(xiàn)大銅珠、小銅珠及網(wǎng)狀銅的差異。表可知，產(chǎn)物中 Cu2 O 質(zhì)量隨著 CuO 含量的增加而增加。 這是由于過(guò)量 CuO 分解所得，且由于木炭的不足，不能產(chǎn)生更多的CO 以還原 Cu2O 所致。產(chǎn)物性狀與m(CuO)/ m(C)比值之間存在的規(guī)律對(duì)中學(xué)教師完成木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)具有指導(dǎo)作用。預(yù)備實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)出現(xiàn)銅珠且有黑色粉末，說(shuō)明木炭過(guò)量，應(yīng)降低木炭用量，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)狀銅且有暗紅色粉末，說(shuō)明CuO 過(guò)量，應(yīng)降低CuO 用量，直到僅出現(xiàn)紫紅色光亮銅珠（或網(wǎng)狀銅） 。由于各中學(xué)炭的來(lái)源是不同的，氧化銅與炭的比例不能簡(jiǎn)單依據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，文

33、獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)僅能作為參考，氧化銅與炭的比例只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究確定。需要說(shuō)明的是，如果在探究中，在控制好其它實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，1012 的比例都不能做出好的實(shí)驗(yàn)效果，表明這樣的炭不能作為反應(yīng)物，應(yīng)該放棄，重新選擇碳的來(lái)源。5.炭與氧化銅接觸面積在反應(yīng)體系溫度未達(dá)到1026之前，炭與氧化銅之間的固-固反應(yīng)的反應(yīng)熱是體系溫度上升的重要且必須的能量來(lái)源。接觸面積越大，反應(yīng)速率越高。固相顆粒越小，混勻程度越高，固相接觸面積越大。在實(shí)驗(yàn)室， 傳統(tǒng)方法是采用研磨以減小顆粒粒度及實(shí)現(xiàn)兩相的混勻。接觸面積的大小可簡(jiǎn)單通過(guò)研磨時(shí)間來(lái)表征，研磨時(shí)間越長(zhǎng)，固相接觸面積越大。有研究報(bào)告表明，研磨后的炭與氧化銅顆粒應(yīng)該達(dá)到

34、180 目以上才有好的實(shí)驗(yàn)效果，40目以下甚至不能看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。研磨時(shí)間理論上越長(zhǎng)越好，研磨時(shí)間以5min10min 為宜。研磨時(shí)間可通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究確定。林穗云 .木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)方案的探討J. 嘉應(yīng)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2002 ，20（ 3）：27-28第二部分探究設(shè)計(jì)思路一、探究目的1.加深對(duì)碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)原理、影響因素的理解；2.進(jìn)一步學(xué)會(huì)利用簡(jiǎn)單比較法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；3.提高分析問(wèn)題，解決實(shí)際問(wèn)題的能力。二、探究?jī)?nèi)容1.炭與試劑氧化銅最佳比例的探究。三、設(shè)計(jì)思路1.選擇并固定需探究的條件以外的其他條件（不是隨意確定）：溫度控制：選用防風(fēng)罩酒精燈為加熱器；固體總量1.02.0g；試管豎

35、直加熱，固體全部落在火焰范圍；固體用玻棒壓實(shí)；試劑烘干。炭與氧化銅接觸面積控制：研磨510min 。晶體缺陷濃度：材料已經(jīng)固定，無(wú)選擇。2.證據(jù)的獲得（判斷依據(jù)）：定性和定量相結(jié)合，以定量為主要依據(jù)。并依據(jù)此設(shè)計(jì)3.固定 CuO 的量，改變C 的量；并依據(jù)上述設(shè)計(jì)裝置圖。4.CuO 的量的確定： 依據(jù)選用的儀器情況，誤差要求等綜合考慮，以定量反應(yīng)關(guān)系為基礎(chǔ)，以文獻(xiàn)資料為輔助加以確定。5. C:CuO 比例值及范圍的設(shè)計(jì)原則：以定量關(guān)系和理論推測(cè)為依據(jù)，文獻(xiàn)資料為輔助。6.各比例的實(shí)驗(yàn)順序：以估計(jì)最佳比例為中心，向兩邊擴(kuò)展，跳檔實(shí)驗(yàn)加插入，減少探究次數(shù)。7.實(shí)驗(yàn)效果好壞的判斷是依據(jù)產(chǎn)氣量、固體產(chǎn)

36、物性狀 (以光亮銅珠為最佳，無(wú)黑色物質(zhì) )、實(shí)驗(yàn)時(shí)間綜合判斷。注意： 1.選用小試管；2.體系中的空氣量要少；3.空白實(shí)驗(yàn)。第三部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案一、儀器與藥品儀器： 試管（ 15×150mm ）3 支、鐵架臺(tái)1 個(gè)、防風(fēng)罩酒精燈1 個(gè)、量筒 （ 200ml ）一個(gè)、不同規(guī)格橡皮塞各1 個(gè)、打孔器1 套、集氣瓶或燒瓶（200ml） 1 個(gè)、玻璃管100cm、銼刀1把、橡皮導(dǎo)管50cm、剪刀1 把、研缽1 或2 個(gè)、玻璃棒1 支、燒杯200ml一個(gè)、蒸發(fā)皿1個(gè)、量筒（10ml） 2個(gè)。藥品：氧化銅（分析純、化學(xué)純也可）、木炭、 NaHCO 3（化學(xué)純）、澄清石灰水。200ml 飽和 NaHCO 3 溶液的初配：稱取15.6g NaHCO 3 于 200ml 燒杯中，加入蒸餾水至刻度，攪拌溶解。澄清石灰水：稱取0.16-0.3g Ca(OH) 2 于 200ml 燒杯中，加入100ml 蒸餾水，攪拌，