碳還原氧化銅的反應(yīng)是放熱反應(yīng)

1、碳還原氧化銅的反應(yīng)是放熱反應(yīng)碳還原氧化銅的反應(yīng)是放熱反應(yīng)廣西博白縣第三高級(jí)中學(xué)(537600)王貞潔碳還原氧化銅是中學(xué)化學(xué)的重要內(nèi)容之一.在中學(xué)教科書(shū)里編排了這一變化的演示實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是:把經(jīng)過(guò)烘干的木炭和黑色的氧化銅共同研磨混勻,小心地放進(jìn)試管里,并將試管固定在鐵架臺(tái)上.試管口裝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)加熱試管幾分鐘后,觀察石灰水發(fā)生了什么變化?反應(yīng)后把試管里的粉末倒在紙上,粉末發(fā)生了什么變化?(實(shí)驗(yàn)裝置參見(jiàn)下圖)C清灰水實(shí)驗(yàn)后,教材初次提出了吸熱現(xiàn)象和放熱現(xiàn)象兩個(gè)概念,這就使碳還原氧化銅的熱效應(yīng)成為教師在教學(xué)中的需要.而一些教師(特別是年輕教師

2、)斷言這一變化是吸熱反應(yīng).由于中學(xué)教材及相關(guān)教學(xué)輔導(dǎo)書(shū)中大都沒(méi)有指明碳還原氧化銅的熱效應(yīng),因此就很有必要來(lái)討論一下這個(gè)問(wèn)題.一,碳還原氧化銅的焓變?yōu)樨?fù)值碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)是在常溫常壓下于閉口容器中進(jìn)行的.可以認(rèn)為其反應(yīng)熱等于它的焓變AH.,若AH.為正值.表示體系從環(huán)境吸收熱量,是吸熱反應(yīng);若AH.為負(fù)值,則表示體系釋放熱量給環(huán)境,反應(yīng)是放熱反應(yīng).而一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的焓變,可用下面的公式進(jìn)行計(jì)算.AH.一(Att?)產(chǎn)物一(AH9)反應(yīng)物碳與氧化銅在加熱條件下,可能發(fā)生兩種化學(xué)變化:(1)CuO(s)+C(s)一Cu(s)+C0(g)(2)2CuO(s)+C(s)一2CLl(S)+CO2rg)查表

3、知,在298K時(shí),H?(CuO,s)一一157.3kJ?tool一H?(CO,g)一一1l0kJ?toolH(C02,g)一-393.5kJ?tool而本實(shí)驗(yàn)中的碳是取用木炭,木炭為石墨晶體結(jié)構(gòu),它與銅一樣,都是穩(wěn)定的單質(zhì),AH都是實(shí)驗(yàn)研究0kJ?mo1一.若碳還原氧化銅反應(yīng)后的最終氣體產(chǎn)物是CO,則H.的值為:AH.一AH(CO,g)+AH?(Cu,S)一H?(CuO,s)+H(C,s)一一1l0kJ?tool斗0kJ?tool一一157.3kJ?tool+0kJ.tool=47.3kJ?tool_.,AH.為正值,該反應(yīng)是吸熱反應(yīng).反應(yīng)過(guò)程必須不斷地由環(huán)境補(bǔ)充熱量.但是,若碳還原氧化銅反應(yīng)

4、的最終氣體產(chǎn)物是cQ時(shí),通過(guò)上述公式算出H0一一78.9kJ?mol一.在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí),并不需要強(qiáng)熱就能順利地進(jìn)行.當(dāng)碳與氧化銅混合物溫度升高到有C0產(chǎn)生時(shí),o0在該溫度下與CuO的反應(yīng)就容易而且快多了.實(shí)驗(yàn)事實(shí)也證明,碳與氧化銅反應(yīng)的主要產(chǎn)物不是00,而是().把反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通人澄清的石灰水中,石灰水變渾濁,說(shuō)明產(chǎn)物中有c02氣體.若用試管收集滿(mǎn)所產(chǎn)生的氣體,小心地倒扣在盛有NaOH溶液的水槽中,試管內(nèi)液面會(huì)迅速上升,液面高度約占試管的五分之四.這說(shuō)明產(chǎn)物氣體中絕大部分被NaOH溶液吸收,也就是說(shuō)其主要產(chǎn)物是C()2.因此,能夠客觀地反映碳與氧化銅反應(yīng)的總變化是:2CuO(s)+C(S)

5、一2Cu(s)+CO2(g),其反應(yīng)焓變計(jì)算結(jié)果是:AH.一一78.9kJ?tool.這表明,在289K時(shí)每2toolCuO與1toolC轉(zhuǎn)變成2toolCLl和1toolCO2后,體系需要向環(huán)境釋放78.9kJ的熱量,故碳還原氧化銅的反應(yīng)是放熱反應(yīng).二,碳還原氧化銅需要較高的溫度條件有人提出疑問(wèn),既然是一個(gè)放熱反應(yīng),為什么長(zhǎng)時(shí)間加熱,反應(yīng)現(xiàn)象仍不明顯?的確,按教材上的實(shí)驗(yàn)方案,將反應(yīng)物混合長(zhǎng)時(shí)間加熱后,只能以澄清石灰水變渾濁來(lái)證實(shí)反應(yīng)已經(jīng)開(kāi)始,產(chǎn)物氣體有CO2生成,而在黑色的反應(yīng)混合物里有一些紅色粉末,就認(rèn)定生成了銅(其實(shí)經(jīng)常是含有一部分氧化亞銅).整個(gè)反應(yīng)過(guò)程沒(méi)有明顯的放熱現(xiàn)象,因此一些教

6、師認(rèn)定是吸熱反應(yīng)也就在所難免了,當(dāng)然這是不正確的.實(shí)際上,一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)地進(jìn)行,其劇烈程度怎樣,是由多種因素決定的,不能簡(jiǎn)單地從放熱反應(yīng)得出結(jié)論.Ho是狀態(tài)函數(shù),是由體系的始態(tài)和終態(tài)決定的,與過(guò)程無(wú)關(guān).當(dāng)體系沒(méi)有達(dá)到開(kāi)始反應(yīng)所需要的溫度時(shí),或者反應(yīng)開(kāi)始后體系損失的熱量大于反應(yīng)放出的熱量,都不能使化學(xué)反應(yīng)自發(fā)地進(jìn)行.我們知道,物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的過(guò)程,是原子重93實(shí)驗(yàn)研究新組合的過(guò)程.必須破壞反應(yīng)物內(nèi)的化學(xué)鍵,形成新的物質(zhì),要克服舊鍵斷裂的引力和新鍵形成的斥力,相互作用的微粒必須具有足夠大的能量,也就是說(shuō),存在著一個(gè)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速度影響極大的活化能問(wèn)題.碳還原氧化銅的反應(yīng)物晶體中,都存在著較強(qiáng)

7、的化學(xué)鍵,如反應(yīng)中的碳,實(shí)質(zhì)上有著石墨的晶體結(jié)構(gòu),其熔點(diǎn)高達(dá)3300K以上,而氧化銅也非常穩(wěn)定,若沒(méi)有其他因素存在,僅憑加熱破壞氧化銅的化學(xué)鍵,那只有在超過(guò)1273K時(shí),氧化銅才有可能釋放出氧,變成氧化亞銅.由于這兩種反應(yīng)物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,使碳還原氧化銅的變化具有高的活化能.加之,這個(gè)反應(yīng)是固體間的反應(yīng),變化只能在其表面上進(jìn)行,這更增加了反應(yīng)的困難程度.不過(guò),在經(jīng)過(guò)研磨碳粉和氧化銅的晶體表面后,使大量原子的化學(xué)鍵不飽和,具有很高的化學(xué)活性.所以在加熱過(guò)程中,盡管整個(gè)反應(yīng)體系不能觀察到激烈的反應(yīng)現(xiàn)象,但仍有一些反應(yīng)物發(fā)生變化,如在黑色的粉末里有一些紅色物質(zhì),并能觀察到澄清石灰水變渾濁,說(shuō)明是有C02和

8、銅單質(zhì)生成.三,碳還原氧化銅反應(yīng)放出熱量的事實(shí)近年來(lái),不少中學(xué)化學(xué)教學(xué)輔導(dǎo)材料對(duì)碳還原氧化銅產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行了描述和補(bǔ)充.筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)這實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多次實(shí)踐與研究,結(jié)論是,控制好實(shí)驗(yàn)條件,能使碳和氧化銅的反應(yīng)劇烈地發(fā)生,能比較明顯地觀察到以下兩個(gè)現(xiàn)象:1.對(duì)木炭和氧化銅的混合物加熱一定時(shí)間后(短的3分種,長(zhǎng)的要lO分鐘左右),部分反應(yīng)物開(kāi)始燃燒.此時(shí)移走酒精燈,燃燒仍會(huì)繼續(xù),幾秒鐘后燃燒完全,反應(yīng)停止.燃燒本身就是發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象,燃燒開(kāi)始后,停止加熱而燃燒繼續(xù),則證明了反應(yīng)放出的熱量,足以使還未反應(yīng)的混合粉末的溫度升高到燃燒所需要的溫度,促使反應(yīng)完全.2.將碳和氧化銅反應(yīng)生成的固體產(chǎn)物在封

9、閉狀態(tài)下冷卻后取出觀察,發(fā)現(xiàn)各次實(shí)驗(yàn)所得到的固體產(chǎn)物的形態(tài)各不相同,可以分為三種情況:紫紅色銅片,錒片有部分光亮的表面,性硬,擠壓不爛;紫紅色銅珠,堅(jiān)硬光亮,在一次實(shí)驗(yàn)中可同時(shí)得到幾粒至十幾粒;整個(gè)反應(yīng)混合物燒結(jié)成一整塊,顏色為紅色到暗紅,光澤不好,加壓易碎,但不能壓成粉狀.本實(shí)驗(yàn)取用的木炭和氧化銅,均被研磨成了極細(xì)的粉末,反應(yīng)后變成了銅塊或銅珠,說(shuō)明該反應(yīng)生成的銅起碼有一部分經(jīng)過(guò)了熔融過(guò)程.這個(gè)過(guò)程絕對(duì)不可能用酒精燈的火焰溫度來(lái)加熱實(shí)現(xiàn)的,而只有可能是反應(yīng)本身放出了較多的熱量,而且這熱量又被產(chǎn)物銅有效地吸收.這有力的說(shuō)明了碳還原氧化銅有放熱現(xiàn)象,屬于放熱反應(yīng).綜上所述,控制實(shí)驗(yàn)條件,進(jìn)行成功

10、的實(shí)驗(yàn),使學(xué)生清晰地觀察到有金屬光澤的銅片或銅珠的生成,從94而對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)物有更科學(xué)的印象,認(rèn)識(shí)到碳還原氧化銅放出熱量的事實(shí).四,碳還原氧化銅劇烈進(jìn)行的控制條件.使碳還原氧化銅能夠劇烈的進(jìn)行,應(yīng)當(dāng)創(chuàng)造和具備如下的基本條件:1.反應(yīng)物的取量.若碳和氧化銅均能完全反應(yīng),則加熱時(shí)提供的熱量及反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量的利用率最高,劇烈反應(yīng)的可能性最大.按理論計(jì)算,碳與氧化銅的質(zhì)量比為l:13.3時(shí),兩反應(yīng)物剛好完全反應(yīng).但是,由于下面兩個(gè)因素,碳應(yīng)適當(dāng)過(guò)量:實(shí)驗(yàn)中取用的是木炭,其中含有鹽和某些金屬氧化物雜質(zhì);要使氧化銅中的銅被充分的還原出來(lái),碳也需要稍微過(guò)量.實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的比值是l:10.5左右,反應(yīng)效果較好.并

11、且要注意,木炭在稱(chēng)量之前,應(yīng)該進(jìn)行烘干,除去吸附的水分,這樣既可以減少取量的誤差,也有利于反應(yīng)的發(fā)生.2.反應(yīng)物的研磨和混勻.碳還原氧化銅,是固體物質(zhì)間的反應(yīng),因此,總的表面積大小,固體物質(zhì)間的均勻程度,是影響反應(yīng)速度的重要因素.固體物質(zhì)磨得越細(xì),總的表面積越大,活化分子間的碰撞機(jī)會(huì)越多,反應(yīng)物之間的分子有效碰撞的幾率越大,反應(yīng)越快.本實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)將適量的木炭和氧化銅粉末放入研缽內(nèi),進(jìn)行充分的研磨和攪和,使其在研磨和攪和過(guò)程中得到充分的混勻.實(shí)踐證明,若認(rèn)真地作了這道操作工序,即便是使用普通酒精燈加熱混合物,也能明顯地觀察到燃燒的現(xiàn)象.否則只有用酒精噴燈進(jìn)行強(qiáng)熱,才能使反應(yīng)進(jìn)行得比較完全.另外,研細(xì),混勻的作用,不僅能使反應(yīng)迅速地發(fā)生,劇烈地進(jìn)行.還可以使生成的銅成為很細(xì)小的顆粒.這些細(xì)小顆粒的熔化溫度比較低,加上實(shí)驗(yàn)過(guò)程反應(yīng)速度快,放出的熱量散失少,能更有效地被生成物吸收,使銅熔化(凝成小銅珠)成為可能.3.酒精燈火焰旺盛穩(wěn)定.在反應(yīng)過(guò)程中,應(yīng)使整個(gè)反應(yīng)混合物處在酒精燈火焰的包圍中,比較均勻而快速地獲得熱量,使反應(yīng)物的溫度得到比較一致地升高.當(dāng)反