关于“氢气还原氧化铜”演示实验的改进和创新

周勇杰 吴利文

【摘 要】“氢气还原氧化铜”实验是华东师范大学版本九年级科学下册中的一个重要化学实验，学生通过这个实验第一次接触到还原反应。但由于空气和氢气都是无色无味的，所以很难判断试管内空气何时排尽，若空气未排尽加热氧化铜粉末，容易发生爆炸。在实验过程中，主要还是通过平常积累的经验来判断，所以这个实验的安全系数比较低。改进后利用陶瓷加热棒对铜丝进行加热，可以通过改变电流的大小来控制铜丝的温度，整个实验过程中铜丝的温度不高于310℃，远低于氢气的着火点（574℃），所以即使操作失误，在空气未排尽的情况下对铜丝进行加热也不会发生爆炸。装置改进后实验效果明显，并且操作省时省力，大大提高了课堂教学效果。该装置荣获2017年浙江省中小学优秀自制教具评选活动二等奖。

【关键词】容易爆炸；难清洗；原料利用率低；低于着火点；安全

化学概念是用简练的语言高度概括出来的，常包括定义、原理、反应规律等。学生要形成化学概念，体验很重要，通过直接作用于感官的真实实验，能有助于学生形成思维，加深对反映物质特性的化学概念的理解。“氢气还原氧化铜”实验是华东师范大学版本九年级科学下册中的一个重要化学实验，学生通过这个实验第一次接触到还原反应。由于氢气具有可燃性，在加热之前要先验纯，所以在做该实验时，要先通一段时间的氢气，将试管里空气排尽之后，才能加热氧化铜，但由于空气和氢气都是无色无味的，很难通过肉眼判断试管内的空气是否已排尽。如果通入氢气的时间太短，加热时很容易发生爆炸，如果通入氢气时间过长，以及实验结束以后冷却过程中通入的氢气也直接排到了空气中，这就进一步增加了教室、实验室里的不安全隐患。除此之外，教材中该实验还存在着许多弊端，诸如：实验结束后的试管底部光亮的铜镜很难清洗，整个过程原料的利用率不高，实验时间过长等，所以该实验很有改进的必要。

下面我将从实验的改进缘由、活动目的、原实验的弊端、改进后实验的优点及其操作步骤五个方面进行阐述。

一、“氢气还原氧化铜”实验改进的缘由和经过

“氢气还原氧化铜”实验装置改进的缘由，要从2015年11月17日的一次市级教研活动说起，学校安排我来开展研讨课，当时选了《金属氧化和金属氧化物的还原》这节课，在备课过程中发现，由于种种弊端，“氢气还原氧化铜”这个活动只能作为一个演示实验来展示，我想能否将这个实验装置改进一下，开发为一个学生实验呢？

当时在网上查阅了很多相关的文章，比如：比如将较粗的铜丝绕成一个螺线型，用酒精灯将光亮的铜丝加热氧化后，迅速伸入充满氢气的硬质玻璃管中进行还原。这个实验装置用铜丝代替了氧化铜粉末，解决了实验后铜镜难清洗的问题，而且由于装置是密封的，所以反应结束后冷却过程中无需持续通氢气，解决了氢气利用率不高的问题，实验现象也十分明显。但是，我在用该套装置进行实验时成功率并不高，如果将螺线管在酒精灯上充分加热氧化后，迅速伸入硬质玻璃管，由于此时铜丝的温度过高，氢气直接被点燃而导致实验失败；如果加热氧化后，稍加冷却然后伸入硬质玻璃管，由于铜丝的温度过低，没达到氢气还原氧化铜的条件，而导致实验失败。所以这个实验装置还存在较大的弊端，那就是无法控制铜丝的温度。如果利用电流的热效应对铜丝进行加热，利用电流的大小来控制铜丝的温度，能解决以上实验的不足吗？

偶然的机会在淘宝上找到了一种新型高效节能的陶瓷发热元件——微型陶瓷加热棒，最大功率200W，最高温度能达到1000℃。R≈10Ω，当通过的电流为0.7A时，T=225℃。这个温度刚好满足氢气还原氧化铜的条件，但又不会引起爆炸（氢气的着火点为574℃左右）。

二、“氢气还原氧化铜”实验活动目的

1.进一步了解氧化还原反应的含义和发生的条件。

2.认识氢气的还原性，知道利用氢气还原氧化铜时应该注意的事项。

3.进一步理解物质在一定条件下是可以相互转化的。

三、“氢气还原氧化铜”原实验的弊端

主要器材：铁架台、试管、氧化铜粉末、酒精灯、导管、锥形瓶、锌粒、稀硫酸、火柴、单孔橡皮塞。

弊端：

1.以氧化铜粉末作为原料，实验结束后，试管内壁会有一层光亮的红色铜，不论是用酸碱还是洗涤剂都很难将其除去，且原料无法重复利用。

2.反应结束后，为了防止灼热氧化铜再次被氧化，在冷却过程中需要持续向试管内通氢气，氢气的利用率不高。

3.空气和氢气都是无色无味的，所以很难判断试管内空气何时排尽，若空氣未排尽加热的话，容易发生爆炸。实验过程中主要还是要依靠经验来判断，所以这个实验的安全系数较低。

4.实验中用酒精灯火焰进行加热，很容易受风的影响。

5.氢气验纯比较麻烦，不够安全。

四、“氢气还原氧化铜”实验装置改进、实验创新点及其操作步骤

1.装置：（1）主要器材：学生电源、锥形瓶、单孔橡皮塞、导管、硬质玻璃管、水槽、洗洁精、铁架台、开关、导线、三通管、空调密封泥、锌粒、稀硫酸、细铜丝、火柴、电流表、止水夹。

（2）装置图解

2.创新点归纳：

（1）铜丝可以反复使用，并消除了实验后试管难清洗的烦恼。

（2）不会爆炸，更安全。整个实验过程铜丝的温度不高于310℃，远低于氢气的着火点（574℃），所以即使操作失误，氢气未纯净加热也不发生爆炸。

（3）更节约药品。由于硬质玻璃管两端做了封闭处理，实验结束后不需要持续通氢气。

（4）用肥皂泡来氢气验纯，更方便、快捷。

4.实验步骤：

（1）实验前打开电源，闭合开关，加热陶瓷棒，将铜丝表面氧化为黑色氧化铜后，断开开关。

（2）检查装置气密性，将导管伸入水槽中，用手捂住锥形瓶，若导管口有气泡则气密性良好。

（3）加入药品，反应开始。

（4）右边水槽中出现气泡，用火柴点燃气泡，如没有出现尖锐爆鸣声，则玻璃管内气体纯净了。

（5）调节电源电压为10V，闭合开关，I=0.7A左右，大约经过30s左右氧化铜开始被还原。

（6）当还原结束后，断开开关，用止水夹夹住硬质玻璃管两端橡皮管，拔掉锥形瓶口的橡皮塞，回收废液和锌粒，等待完全冷却后，取出铜丝。

五、改进实验的意义

初中化学是以实验为基础的学科，因为学生初次学习化学，对化学知识知之甚少，通过实验改进，使学生在观察实验，掌握氢气的化学性质的同时，激发学生学习化学的兴趣，培养学生观察实验、动手创新实验和改进实验的能力，从而提升学生的素质。同时，化学实验的节能减排是当前化学研究中的一个重要课题，而上述实验的改进，恰好针对这一不利情况进行改进，让实验在密闭容器中进行，使学生既完成了化学知识的学习与探究，也培养学生的节能、环保意识。

【参考文献】

[1]浅谈初中化学实验教学的重要性

[2]氢气还原氧化铜实验的改进

[3] 浅谈化学实验改进的意义.《中学课程辅导：教师教育》，2017（6）

[4] 化学实验室中的节能减耗环节探讨.《中国化工贸易》，2016.8（9）