實(shí)驗(yàn)五 氫氣還原氧化銅實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)五 氫氣還原氧化銅實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：肖常磊 實(shí)驗(yàn)評分：同組成員：曾丹瑜 20132401067一、 探究問題的提出氫氣還原氧化銅的演示實(shí)驗(yàn)，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中是十分重要而又難度較大的內(nèi)容。其最佳效果是反應(yīng)后能在試管底部附著一層光亮的銅鏡。但由于實(shí)驗(yàn)條件控制方面的問題，在課堂上，教師常常因時(shí)間所限，只能將反應(yīng)的中間產(chǎn)物磚紅色的氧化亞銅誤作金屬銅展示給學(xué)生。師專學(xué)生在進(jìn)行教育實(shí)習(xí)時(shí)，課堂上也常常不能得到附著在試管底部的銅鏡，而是粉末狀、磚紅色的氧化亞銅。如何在課堂上能快捷、成功地演示氫氣還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)?zāi)?？筆者將就影響氫氣還原氧化銅實(shí)驗(yàn)最大的因素氧化銅的用量和使用方法作一研討。二、 問

2、題的解決設(shè)想分析：1、氫氣還原氧化銅實(shí)驗(yàn)未能直接得到光亮的銅原因可能有兩點(diǎn)：一，氧化銅為固體粉末，與氫氣反應(yīng)，反應(yīng)需在固相、氣相兩相間進(jìn)行，難度較大；二，銅的狀態(tài)是粉末狀，細(xì)小顆粒因吸光較多而觀察不到銅單質(zhì)的光亮顏色；三，氧化銅粉末量較多，難于被完全還原成銅，大部分被還原成氧化亞銅，銅單質(zhì)含量較低，故主要呈氧化亞銅的磚紅色。2、實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長，不利于中學(xué)課堂演示。猜想：氫氣還原氧化銅，氧化銅粉末堆積，中間的氧化銅與氫氣接觸不完全，導(dǎo)致反應(yīng)速率慢，所需時(shí)間長。解決設(shè)想：1、 鋅粒的選擇： 不宜用純鋅，因?yàn)榧冧\與酸的反應(yīng)速度較慢，相同質(zhì)量的鋅粒，圓粒的鋅跟酸接觸的面積要小于不規(guī)則形狀的鋅粒。所以最好

3、選用純度不高、形狀不規(guī)則的鋅粒。 2、 稀硫酸的濃度： 實(shí)驗(yàn)表明，氫氣還原氧化銅實(shí)驗(yàn)中，若用稀硫酸制備氫氣，硫酸的濃度以 20%或3mol·L-1為宜。低于這個(gè)濃度，反應(yīng)速度太慢；高于這個(gè)濃度，鋅粒會鈍化，反應(yīng)速度也慢。若用鹽酸，濃度以5mol·L-1為宜。 3、 氫氣的凈化： 鋅和稀硫酸作用后，氣體中會含有少量水分,會影響實(shí)驗(yàn)效果，應(yīng)除去。所以，應(yīng)將制得的氫氣通過干燥劑氯化鈣，便可得到較純凈的氫氣。 4、 氧化銅的用量及使用方法： 實(shí)驗(yàn)表明，氧化銅用量以涂抹在試管中形成一圈薄層為宜。太少，產(chǎn)生的銅鏡面積太??；太多，產(chǎn)生銅鏡需要的時(shí)間太長，不宜在課堂上演示。氧化銅可選用市售

4、的氧化銅粉末，也可加熱分解硝酸銅和氫氧化銅來制備。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)裝置圖準(zhǔn)備工作：按照裝置圖安裝好啟普發(fā)生器，檢查裝置氣密性。 往啟普發(fā)生器內(nèi)加入約15g鋅粒，注意不要讓鋅粒漏到半球體中。為此，可在球體與半球體之間加一帶小孔的橡皮圈。在球形漏斗中加入250mL 1:4的硫酸溶液（往硫酸溶液中滴加幾滴2mol/L硫酸銅溶液），待用。 干燥管內(nèi)置滿干燥劑。先在球內(nèi)出氣口鋪置一層脫脂棉，然后置入干燥劑（如氯化鈣等），不要壓實(shí)，再塞一層脫脂棉。 （一）方案一直接涂抹市售的氧化銅：事先在氧化銅粉末中加少量水，調(diào)成糊狀，用玻璃棒使之均勻地、薄薄地緊附于試管底部

5、內(nèi)壁，通入驗(yàn)純后的氫氣，加熱，5分鐘后有銅鏡產(chǎn)生。加熱時(shí)要不停地移動，以免試管炸裂。此法雖然得到銅鏡時(shí)間較長，但使糊狀氧化銅均勻分布于試管底部易于控制。將氧化銅粉末用水稀釋成糊狀，用玻璃棒蘸取糊狀的氧化銅，直接在試管內(nèi)壁上涂約占試管長度1/4的氧化銅涂層一周，晾干。 經(jīng)過純化的氫氣通入涂有氧化銅的試管內(nèi)，待排盡試管中空氣后，點(diǎn)燃酒精燈，加熱試管外壁，加熱過程中緩慢轉(zhuǎn)動試管。 （二）方案二加熱硝酸銅制取氧化銅：取約 5ml 硝酸銅飽和液，加熱使硝酸銅分解生成黑色氧化銅。冷卻，由于加熱硝酸銅分解制得的氧化銅活性極好，所以通入氫氣后加熱2分鐘后，新鮮的氧化銅便被還原成銅，銅鏡在試管底部形成。此法銅鏡

6、產(chǎn)生得快，現(xiàn)象明顯。但若將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程全部在課堂上完成，時(shí)間不夠，且反應(yīng)產(chǎn)生的 NO2氣體對學(xué)生傷害很大。所以最好在課前就將硝酸銅加熱分解制得氧化銅，這樣一則可以節(jié)省時(shí)間，二則可避免分解硝酸銅產(chǎn)生的二氧化氮?dú)怏w在課堂上排放。 用硝酸銅自制氧化銅。向潔凈試管中滴入23滴飽和硝酸銅溶液（或加入少量研細(xì)的硝酸銅晶體）邊加熱邊稍稍轉(zhuǎn)動，使硝酸銅均勻附著在試管內(nèi)壁上，繼續(xù)加熱。由于硝酸銅分解，在試管內(nèi)壁上附著一層黑色的氧化銅。開啟啟普發(fā)生器處的止水夾，制取氫氣。氫氣進(jìn)入小試管，估計(jì)小試管內(nèi)空氣排盡后，點(diǎn)燃酒精燈，加熱氧化銅。用氫氣還原氧化銅后，可得到光亮的銅鏡。 當(dāng)氧化銅完全被還原后

7、，先熄滅酒精燈，繼續(xù)通入氫氣至冷卻，然后停止通入氫氣。（三）方案三加熱分解氫氧化銅制備氧化銅：取2ml硫酸銅飽和液與4ml氫氧化鈉飽和液作用，將產(chǎn)生的混濁液離心分離后，用玻璃棒蘸取少許分離后的氫氧化銅糊狀物，在試管內(nèi)壁底部涂成一均勻薄環(huán)，加熱，待藍(lán)色的氫氧化銅變?yōu)樾迈r的、高活性的氧化銅后，冷卻通入氫氣后加熱，2 分鐘后光亮的銅環(huán)便在試管底部形成。此法產(chǎn)生銅鏡時(shí)間短、效果好又沒污染，但整個(gè)實(shí)驗(yàn)繁瑣，課堂上不能完成，最好在課前將氧化銅預(yù)先制好。 以上試劑的選擇和方法的使用，主要是為了達(dá)到兩個(gè)目的產(chǎn)生有效而強(qiáng)大的氫氣流和在試管底部形式一均勻的氧化銅薄層。只要這兩種條件具備了，氫氣還原氧化銅的銅鏡就能

8、快速地形成。用氫氧化銅自制氧化銅。向潔凈試管中涂抹一層糊狀氫氧化銅薄層邊加熱邊稍稍轉(zhuǎn)動，使氫氧化銅均勻附著在試管內(nèi)壁上，繼續(xù)加熱。開啟啟普發(fā)生器處的止水夾，制取氫氣。氫氣進(jìn)入小試管，估計(jì)小試管內(nèi)空氣排盡后，點(diǎn)燃酒精燈，加熱氧化銅。用氫氣還原氧化銅后，可得到光亮的銅鏡。 當(dāng)氧化銅完全被還原后，先熄滅酒精燈，繼續(xù)通入氫氣至冷卻，然后停止通入氫氣。四、 實(shí)驗(yàn)過程記錄實(shí)驗(yàn)裝置 方案一 氧化銅糊狀物涂層 方案二 硝酸銅制備氧化銅 方案三 未離心糊狀氫氧化銅 方案三 離心后下層糊狀氫氧化銅直接加熱糊狀氧化銅 加熱硝酸銅制取氧化銅 加熱硝酸銅制得的氧化銅五、 相關(guān)問題探討1、由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本次進(jìn)

9、行的氫氣還原氧化銅改進(jìn)實(shí)驗(yàn)取得較滿意效果。首先，氧化銅被還原成銅單質(zhì)，出現(xiàn)銅鏡，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且反應(yīng)速率快，用時(shí)短，實(shí)驗(yàn)成功率高，用水濕潤的氧化銅做涂層制得銅鏡成功率幾乎為百分百，便于在中學(xué)課堂上演示實(shí)驗(yàn)并取得成功。其次，氧化銅用量少，極大地減少了實(shí)驗(yàn)藥品的浪費(fèi)。最后，由于去除氫氣除雜純化裝置后，得到的銅鏡與經(jīng)過純化步驟所得銅鏡無明顯差別。故以后進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)可去除氫氣純化步驟，簡化實(shí)驗(yàn)裝置。 2、本次實(shí)驗(yàn)中，用鹽酸濕潤的氧化銅做涂層與用水濕潤的氧化銅做涂層實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，主要有如下兩點(diǎn)：一，用鹽酸濕潤氧化銅做涂層制得的銅鏡在亮度、光澤方面明顯比用水濕潤氧化銅做涂層制得的銅鏡效果好；二，用鹽酸濕

10、潤氧化銅做涂層得到銅鏡的成功率為百分百，而用水濕潤氧化銅做涂層得到銅鏡的成功率雖高，卻仍有失敗的情況。分析原因：水與鹽酸，雖然同是濕潤氧化銅涂層，但鹽酸能與氧化銅反應(yīng)，而水不能。查閱文獻(xiàn)：鹽酸首先與氧化銅反應(yīng)生成CuCl2，CuCl2再分解為CuCl(Cu2Cl2)。CuCl(Cu2Cl2)具有較低的熔點(diǎn)(422°C)，熔化狀態(tài)下的CuCl在氫氣流的作用下容易均勻地沾附在試管內(nèi)壁上，并在高溫下被氫氣還原成單質(zhì)銅，并產(chǎn)生氯化氫，形成銅鏡，所以呈光亮狀且成功率高、銅鏡效果較好。六、 教學(xué)思考中學(xué)化學(xué)教學(xué)的魅力在于化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)才能充滿生命和活力，保持其在化學(xué)

11、教學(xué)中的獨(dú)特地位。在教學(xué)中對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，常能起到事半功倍的作用。改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，不僅可以幫助教師更好地完成實(shí)驗(yàn)，使之有良好的實(shí)驗(yàn)效果，也能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。中學(xué)化學(xué)課程中， 實(shí)驗(yàn)?zāi)芗皶r(shí)給學(xué)生提供必要的化學(xué)事實(shí)，使學(xué)生獲得正確、系統(tǒng)的化學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)技能， 實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中占有極為重要的作用。 教師對待實(shí)驗(yàn)，是嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作原則，但也應(yīng)該讓實(shí)驗(yàn)具有靈活、創(chuàng)新的自由空間。 杜威說過：“最好的教育來自于生活?！被瘜W(xué)是一門促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展的學(xué)科，所以在生活中處處可見化學(xué)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)室里，我們也可以運(yùn)用生活中的常見素材，改進(jìn)某些有一定缺陷的實(shí)驗(yàn)，讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)變得更美，讓實(shí)