碳粉還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的熱力學(xué)分析

碳粉還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的熱力學(xué)分析

“碳粉還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)是高中的典型實(shí)驗(yàn)，也是高師化學(xué)教育理論實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件控制方法的典型實(shí)驗(yàn)。首先，向?qū)W生展示原始碳的還原性。在高水平溫度下，某些氧化氧化物的氧氣會(huì)被提取，并產(chǎn)生還原反應(yīng)。其次，實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響：（1）紅色熱；（2）澄清的石灰水變暗了。（3）金屬光澤的銅珍珠。調(diào)查了近年來(lái)的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)，我們可以從不同角度選擇實(shí)驗(yàn)報(bào)告。1996年，劉懷樂(lè)將實(shí)驗(yàn)裝置改為平房狀，并選擇了碳粉和氧化銅的質(zhì)量比為1:10.06。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用酒精燈加熱可以強(qiáng)烈地改變實(shí)驗(yàn)。在反應(yīng)過(guò)程中，有紅色熱和火花，還有大量氣體。綜上所述,該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方式主要是從以下五個(gè)方面進(jìn)行:(1)用不同種類的反應(yīng)物;(2)用不同質(zhì)量比的反應(yīng)物;(3)用不同的熱源,改變實(shí)驗(yàn)溫度;(4)改變實(shí)驗(yàn)裝置;(5)用不同總量的混合物.本文在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)影響該實(shí)驗(yàn)的各種因素進(jìn)行了研究,重點(diǎn)對(duì)反應(yīng)物的干燥程度、反應(yīng)物的混合方式、反應(yīng)物的總質(zhì)量、反應(yīng)物的質(zhì)量比進(jìn)行研究,探究出了該實(shí)驗(yàn)的最佳條件.1力學(xué)分析與影響因素的探討1.1熱力學(xué)分析對(duì)碳粉還原氧化銅實(shí)驗(yàn)進(jìn)行熱力學(xué)分析:查手冊(cè)得:由于C和Cu都是單質(zhì),所以其Δ根據(jù)公式從計(jì)算可知,Δ該反應(yīng)的平衡常數(shù)k根據(jù)公式從計(jì)算可知,Δ1.2影響該實(shí)驗(yàn)的因素影響該實(shí)驗(yàn)的主要因素是反應(yīng)的溫度.通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析,影響該實(shí)驗(yàn)的因素還有:(1)反應(yīng)物是否干燥;(2)反應(yīng)物的顆粒大小;(3)反應(yīng)物的總質(zhì)量;(4)反應(yīng)物的質(zhì)量比.2反應(yīng)物的質(zhì)量比綜合以上的分析,本研究的實(shí)驗(yàn)思路如下:(1)探討反應(yīng)物的干濕程度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,確定出干濕程度.(2)將(1)中得到的結(jié)果定為已知的實(shí)驗(yàn)條件繼續(xù)探討反應(yīng)物的顆粒大小和混合方式.(3)再將(1)和(2)中的結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)已知條件,探討反應(yīng)物的總質(zhì)量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,探討總質(zhì)量為1.1g、2.2g、3.3g、4.4g、5.5g.(4)最后將前三個(gè)實(shí)驗(yàn)探討的結(jié)果作為第四個(gè)探討的已知條件,探討反應(yīng)物的質(zhì)量比.值得注意的是,雖然根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算出來(lái)的理論比例為1:13.3,但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于試管中存在大量的空氣,這種情況下就會(huì)消耗一部分碳粉,即要求碳粉過(guò)量,所以本研究選取反應(yīng)物的比例為1:4~1:13.3實(shí)驗(yàn)部分3.1實(shí)驗(yàn)原理該實(shí)驗(yàn)為固體與固體之間的放熱反應(yīng),反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)紅熱、火星等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.3.2材料、儀器和試劑(1)藥品:活性碳粉(AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,20140603)、氧化銅粉(AR,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司,20140110)、澄清石灰水.(2)儀器:石英試管(20×200mm)、鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、酒精噴燈、托盤天平、電子天平、燒杯、帶膠塞的導(dǎo)管、石棉網(wǎng)、研缽.3.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備3.4碳粉和氧化銅的制備實(shí)驗(yàn)(1)反應(yīng)物干燥程度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.將碳粉和氧化銅放到150℃的烘箱中烘干30min.待冷卻至室溫后,稱取0.1g碳粉,0.7g氧化銅(選擇1:7進(jìn)行實(shí)驗(yàn),碳粉要過(guò)量).再稱取一份相同質(zhì)量的未烘干的藥品,分別充分混合但不研磨,裝入試管中.用酒精噴燈加熱,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表l.通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以表明,碳粉和氧化銅在烘干的條件下反應(yīng)效果更好.因?yàn)槲春娓傻奶挤酆脱趸~中含有大量的水分,加熱過(guò)程中有水蒸氣生成,會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果.(2)反應(yīng)物顆粒大小及混合方式對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.稱取烘干冷卻后的碳粉0.1g,氧化銅0.7g(選擇1:7進(jìn)行實(shí)驗(yàn),碳粉要過(guò)量),進(jìn)行研磨(研磨15min)混合.再稱取一份相同質(zhì)量的不研磨的藥品,充分混合,裝入試管中.用酒精噴燈加熱,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表2.通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,碳粉和氧化銅在烘干、研磨的條件下反應(yīng)效果更好.因?yàn)檠心ミ^(guò)的碳粉和氧化銅有更大的接觸面積,使其充分接觸反應(yīng)(3)反應(yīng)物總質(zhì)量對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.分別稱取烘干研磨的反應(yīng)物混合物(碳粉與氧化銅配比為1:10)1.1g,2.2g,3.3g,4.4g,5.5g,用酒精噴燈加熱,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表3.通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,碳粉和氧化銅在烘干、研磨、總質(zhì)量為4.4g的條件下反應(yīng)生成的光亮銅珠最多,效果更好.(4)反應(yīng)物的質(zhì)量比對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.(1)分別稱取烘干冷卻研磨總質(zhì)量為4.4g、碳粉和氧化銅質(zhì)量比為1:4~1:13(碳粉要過(guò)量),分別充分混合,裝入試管中.(2)用酒精噴燈加熱,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表4和表5.通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,碳粉和氧化銅在烘干、研磨、總質(zhì)量為4.4g、質(zhì)量比為1:10的條件下反應(yīng)效果最好.4影響實(shí)驗(yàn)效果的因素綜上,可以得出碳粉還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的最佳條件:(1)碳粉和氧化銅在烘干混合的條件下實(shí)驗(yàn)效果好,使藥品保持干燥以至于沒(méi)有水珠生成,影響實(shí)驗(yàn)效果.(2)碳粉和氧化銅在研磨混合的條件下實(shí)驗(yàn)效果好,增大接觸面積,使兩者充分反應(yīng).(