碳还原氧化铜的探究

2011-07-17刘彬

化学教与学 2011年9期

刘彬

（徐州市铜山中学江苏徐州 221100）

碳的还原性是中学化学教学中的一个重点，而碳还原氧化铜的演示实验又是教学中的一个难点。它是中学化学中首次接触的固相反应，而且是典型的高温固相反应。碳和氧化铜均为黑色物质，如果配比不当，其中任何一种物质的剩余都会影响实验结果的观察。再者，该反应活化能较高，800℃才开始反应，在此高温下较易生成铜镜，现象明显。但是这又会因试管局部受热而变形甚至损坏，造成了一定的经济损失，而且试剂的用量也较大，无论从实验教学效果的角度还是从经济与环保的角度看，该实验都需要改进。

为此，国内外有关学者作了大量的研究工作，对该实验从不同角度进行了改进，许多学者从实践和实用的角度提出了改进方案，例如通过颜色比较来判断生成物的化学成分，然后根据所生成的铜镜效果来确定最佳配比；有的是利用逐一验证法反复实验，然后选择最好的加热方式和最佳配比。究竟碳还原氧化铜的最佳反应条件是什么？到底应采用什么实验装置和方法呢？经过探索，我采用微型实验并利用正交试验这种数理统计方法来分析，同时分离并称量出反应生成的单质铜的质量。这样不仅实验效果明显，而且避免了不必要的重复。将反应物用量由常规用量的3g减少到0．050g，反应时间缩短到1min左右，这样更易于找到最佳的反应条件。

将常规试管改为Φ7×85mm的硬质玻璃管，微缩后的氧化铜很容易被还原为光亮的铜镜。采用微型实验能节省药品，减少废弃物的排放，显著提高了实验效果。微型实验仪器精致小巧，很适合学生分组实验。另外从环境保护和节约资源的角度出发，这样也有助于培养学生的环保意识。

一、实验仪器与试剂

Φ7×85mm硬质玻璃管，陶土塞，酒精喷灯，尖嘴半球型玻璃管［1］，乳胶塞，322B微量分析天平，碳粉与氧化铜，新配制的澄清石灰水。

二、实验装置

三、实验步骤

1．仪器制作

陶土塞：如图2所示，用陶土做成双层塞晾干后，1000℃焙烧即可。

2．实验方法

（1）将18支称量瓶洗涤，烘干。制备蔗糖脱水炭并研细，烘干活性炭和木炭，研细备用。

（2）按照 m（C）∶m（CuO）＝1∶11 的比例分别称取三种碳和氧化铜的混合物研磨10到20 min后分别装入三个称量瓶中，贴上标签。同样以 1∶11．5、1∶12、1∶12．5、1∶13、1∶13．5的比例分别按照步骤（2）称取研磨后装入称量瓶。将18只称量瓶放入干燥器中。

（3）设计正交试验表，按表格称量反应物进行实验。检测铜和氧化铜的含量。

四、实验数据

1．收率实验因素水平表

表1 收率实验因素水平表

2.收率实验方案表

表2 收率实验方案表

3.铜的收率的计算

表3 铜的收率的计算

接上表

五、理论分析

在 C（s）+2CuO（s）＝2Cu（s）+CO2（g）反应中，

由计算知，△Hθ298＜0、△Sθ298＞0、△Gθ298＜0，从理论上分析，该反应在常温下为自发过程，但实际上该反应在常温下很难进行。在高温体系中，可能存在更多的物质：C、CuO、Cu2O、CO、CO2等，产物之一的二氧化碳与碳又存在如下平衡：CO2+C＝2CO，高温下如在900℃，平衡气相组成中一氧化碳占34.0%，而二氧化碳只有0.2%［2］，具体反应的热力学计算（数据来自文献［3］）如下：

表4 相关反应的热力学数据

由表4知，四种反应均有可能发生，随温度升高，反应更易进行，由于△GθT（1）与△GθT（2）、△GθT（3）与△GθT（4）接近，反应物应含有氧化亚铜和铜，故要求强化还原气氛（即碳量稍多些），使生成的氧化亚铜进一步还原为铜。

六、正交实验的结果分析

1.因素主次的确定

比较三个因素的极差，可见A（即碳与氧化铜的质量比）的极差最大，其次是C（即混合物的总质量），而B（即碳的种类）的极差最小，极差越大，反映该因素水平变动时指标的变化越大，因此可以按照极差的大小顺序排出因素由主到次的顺序为：A→C→B。

2．反应条件的选择原则

将各个因素的好水平组合起来，一段会得到较好的反应条件，但是，我们还应同时考虑因素的主次，在同样满足指标要求的情况下，对一些比较次要的因素可以按照制取方便、价格便宜的原则来选取水平。

3．反应条件的确定

本例中因素A是主要因素，必须取它的好水平A2，因素C是第二重要的因素，取水平C2较好，因素B是次要因素，取水平B2时收率约为90．220%；取水平B1时收率约为89．587%，收率降低不多，但制取蔗糖脱水炭却很麻烦，可取活性炭代替蔗糖脱水炭，因此，A2B2C2或A5B1C2都可能是较好的反应条件，但从实验方便的角度考虑，A2B1C2为最佳的实验条件。

七、讨论

1．碳的选择

通过查阅资料，我发现碳还原氧化铜实验中的碳主要有以下五种：木屑、碳棒、活性炭、蔗糖脱水炭、木炭。经过反复定性实验，选择活性炭、脱水炭、木炭作为一个因素的三个水平。

2．确定比例

碳还原氧化铜实验中，理论值 m（C）∶m（CuO）＝1∶13．3，但是按这种比例实验效果并不好，为此我在 1∶11～1∶13．5前后展开，确定了六种配比进行实验：1∶11、1∶11．5、1∶12、1∶12．5、1∶13、1∶13．5。

3．反应物质量的选择

刚开始，分别将反应物质量定为 0．003g、0．006g、0．009g，实验后发现效果并不好，实验的产物中几乎都有黑色物质存在，其中0．009g效果稍好。后来，将反应物质量增加到 0．009g、0．018g、0．027g，完成 18 个试验后，由结果看出 0．027g 效果更好，最后，选择了 0．050g、0．075g、0．100g作为一个因素的三个不同水平进行正交试验，效果明显。